Air Entrainment

전산유체역학을 이용한 표면 혼입 현상 연구

연구 목적

  • 본 논문은 CFD(전산유체역학) 기법을 활용하여 유체 표면에서 발생하는 혼입(surface entertainment) 현상을 분석함.
  • 자유 표면 유동에서 난류 및 난기류가 공기-액체 경계면에 미치는 영향을 연구함.
  • 기존 실험 데이터를 기반으로 CFD 모델의 정확성을 검증하고, 수치 해석이 실험적 접근을 대체할 수 있는 가능성을 평가함.
  • 표면 혼입 현상이 산업 및 환경 공정에서 가지는 의미를 논의함.

연구 방법

  1. 표면 혼입 모델링 및 실험 설정
    • 기존 문헌에서 보고된 실험 데이터를 바탕으로 수치 모델을 구축함.
    • 다양한 유량 조건에서 표면 혼입이 발생하는 메커니즘을 분석함.
    • 표면 장력과 난류 효과가 혼입 현상에 미치는 영향을 평가함.
  2. CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적을 수행함.
    • 난류 모델로 RNG 방정식을 적용하여 난류 유동을 해석함.
    • 메쉬 독립성 연구를 통해 최적의 격자 크기를 설정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터와 CFD 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델의 신뢰성을 평가함.
    • 표면 혼입 발생 시 유체 속도, 와류 강도(vorticity), 기포 형성 등을 분석함.
    • 실험 및 시뮬레이션 간 오차율을 정량적으로 평가함.
  4. 추가 분석
    • 표면 장력과 유체 점도가 혼입 현상에 미치는 영향을 연구함.
    • 혼입이 활발하게 발생하는 특정 유동 조건을 도출함.
    • 산업 공정에서 CFD 기반 예측 모델의 적용 가능성을 검토함.

주요 결과

  1. 표면 혼입 발생 조건
    • 특정 유량 조건에서 표면 혼입이 급격히 증가하는 임계값이 존재함.
    • 난류 강도가 높을수록 표면 혼입이 활발해지며, 와류 구조가 기포 형성을 촉진함.
    • 표면 장력이 낮을수록 공기 혼입이 증가하며, 유체 점성이 높은 경우 혼입이 감소함.
  2. CFD 시뮬레이션 검증
    • CFD 모델이 실험 데이터와 90% 이상의 상관성을 보이며 신뢰성 높은 결과를 도출함.
    • 메쉬 해상도를 증가시킬수록 혼입 패턴 예측 정확도가 향상됨.
    • 표면 난류 효과가 과소 평가될 가능성이 있어, 추가적인 모델 조정이 필요함.
  3. 표면 장력 및 점도의 영향
    • 표면 장력이 높은 유체에서는 공기 혼입이 감소하며, 난류 효과가 억제됨.
    • 점성이 높은 유체는 혼입이 지연되며, 와류 구조가 약해짐.
    • 저점도 액체에서는 작은 난류 변동에도 공기 혼입이 쉽게 발생함.
  4. 산업적 적용 가능성
    • CFD 기반 혼입 분석은 화학공정, 수처리 및 해양 엔지니어링 분야에서 활용 가능함.
    • 실험 없이 수치 해석만으로 최적의 유동 조건을 예측하는 것이 가능함.
    • 향후 연구에서는 다중 유체 모델 및 기포 동역학을 포함한 추가 연구가 필요함.

결론

  • CFD를 이용한 표면 혼입 시뮬레이션이 높은 신뢰성을 보임.
  • 특정 유동 조건에서 공기 혼입이 급격히 증가하는 현상이 확인됨.
  • 표면 장력 및 점도가 혼입 발생에 중요한 영향을 미침.
  • 향후 연구에서는 다중 유체 모델을 추가하여 더욱 정밀한 예측이 필요함.

Reference

  1. FLOW-3D, www.flow3d.com
  2. N. R. Green and J. Campbell, Influence in Oxide Film Filling Defects on the Strength of Al7si-Mg Alloy Castings, Transactions of the American foundry society 114 (1994) 341 -347.
  3. X. Dai, X. Yang, J. Campbell and J. Wood, Influence of Oxide Film Defects Generated inFilling on Mechanical Strength of Aluminium Alloy Castings, Materials Science andTechnology 20 (2004) 505-513.
  4. J. Campbell, Castings 2nd Edition (Butterworth Heinemann, 2003).
  5. J. Runyoro, S. M. A. Boutorabi and J. Campbell, Critical Gate Velocities for Film FormingCasting Alloys: A Basis for Specification, AFS Transactions 37 (1992) 225-234.
  6. C. Reilly, N. R. Green, M. R. Jolly and J. C. Gebelin, Using the Calculated Fr Number forQuality Assessment of Casting Filling Methods, Modelling of casting, welding andadvanced solidification process XII. (2009).
  7. M. R. Barkdudarov and C. W. Hirt, Tracking Defects,www.flow3d.com/pdfs/tp/cast_tp/FloSci-Bib9-98.pdf (1998).
  8. N. W. Lai, W. D. Griffiths and J. Campbell, Modelling of the Potential for Oxide FilmEntrainment in Light Metal Alloy Castings, Modelling of casting, welding and advancedsolidification process X. (2003) 415-422.
  9. C. E. Esparza, M. P. Guerrero-Mata and R. Z. Ríos-Mercado, Optimal Design of GatingSystems by Gradient Search Methods, Computational Materials Science 36 (2006) 457 -467.
  10. J. Campbell, Review of Computer Simulation Versus Casting Reality, Modelling of Casting,Welding and Advanced Solidification Processes VII (1995) 907-935.
  11. M. R. Jolly, S. W. Wen, A. Lapish, N. D. Butler, M. Wickins and J. Campbell,Investigation of Running Systems for Grey Cast Iron Camshafts, Modelling of casting,Welding and advanced solidification processes VIII (1998) 67-75.
  12. X. Yang, X. Huang, X. Dia, J. Campbell and J. Tatler, Numerical Modelling ofEntrainment of Oxide Film Defects in Filling Aluminium Alloy Castings, Internationaljournal of Cast Metals Research 17 (2004) 321-331.
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