A vertical jet flowing into a moving cross stream

공기 유입 / Air Entrainment

Air Entrainment / 공기 유입

A vertical jet flowing into a moving cross stream

FLOW-3D 의 공기 혼입 모델(air entrainment model)은 자유 표면에서 용해되지 않은 공기 혼입을 시뮬레이션하는 강력한 도구입니다. 제트 및 방수로 충돌시 관찰되는 국부적이고 난류가없는 자유 표면 혼입 기능이 있습니다. 이러한 기능은 엔지니어가 설계시 공기 유입을 예측하고, 공기유입이 안전하게 작동하도록 적절한 수정을 할 수 있게 합니다.

Spillway hydraulics / 여수로 수리장치

여수로 구조는 다양한 작동 조건을 처리 할 수 ​​있도록 설계되어야 합니다. 유동 조건이 설계 범위의 상단에 도달하면 여수로 표면의 불규칙성으로 인해 유동이 분리 될 수 있습니다. 이는 여수로 표면의 압력이 캐비테이션을 일으킬 정도로 낮아지게 합니다. 캐비테이션은 구조물의 강도에 매우 해로우며 치명적인 손상을 초래할 수 있습니다.

공기 유입은 캐비테이션의 가능성을 줄이는 수단입니다. 물이 공기에 존재하면 캐비테이션 영역의 붕괴하는 기포에 감쇠 효과를 추가하여 캐비테이션 손상을 줄입니다. 여수로의 속도가 충분히 높으면 공기를 동반시키고 캐비테이션을 줄이기 위해 폭기 장치를 추가해야합니다.

폭기 흐름의 시뮬레이션과 폭기 장치에서 포획된 공기의 예측.

왼쪽 이미지는 거시적 인 밀도에 의해 착색됩니다. 오른쪽 그래프는 폭기 장치에 유입 된 수분의 일정한 부피와 폭기 장치 이후의 수분 및 공기의 양을 비교 한 것입니다.

아래 동영상은 FLOW-3D에서 공기 유입 과정을 시뮬레이션하는 방법을 보여줍니다. 여기에는 공기혼입 및 드리프트 플럭스 모델의 이론에 대한 세부 정보와 FLOW-3D에서 기본 공기혼입 시뮬레이션을 설정하는 방법에 대한 데모가 포함되어 있습니다.

Fish passage design / 물고기 개체수 유지를 위한 어도 설계

공기가 물로 혼입되면 미생물의 성장을 유지하고 건강한 어류 개체군의 생존을 보장 할 수 있습니다. 그러나 과포화 상태의 용존 기체는 수생 생물에 부정적인 영향을 미치는 수질 문제가 됩니다. 공기 동반 모델의 또 다른 용도는 강의 하류로 방출되는 배수로에서 동반되는 공기의 농도를 결정하기 위해 해양 생물학에서 사용됩니다.
이 모델에 대한 더 자세한 정보는 Air Entrainment 의 Flow Science Report를 다운로드하십시오.

Air Entrainment(공기혼입) Analysis

일부 자유 표면 유동에서 난류 또는 특정 유동조건으로 인해 자유 표면에 가스(Air)가 혼입될 수 있습니다. 그러므로 유동 해석시 가스(Air) 혼입에 대한 고려를 해야합니다.

공기혼입의 예시

  • 댐 수문게이트
  • 정화장치 부문
  • Dam aerated flow region(댐 공기 유동 영역) etc.

Air entrainment physical processes(공기 혼입 물리 프로세스)

  • Entrained air transprot(혼입 공기 수송 모델)
    : 혼입계수(The Entrainment rate coefficient)는 0.5가 적합
    : 표면장력(The surface tension) 고려
  • Bulking : Variable density(가변 밀도 모델)
    : 유입 유체의 밀도 조정은 유체 및 공기 밀도의 조합을 설명하기 위해 자동으로 계산됩니다. 결과적으로, 체적 유량은 유체 및 혼입 된 공기 혼합물의 총 체적 유량이며, 경계(Boundary)에서 공기의 농도를 정의 할 때 사용자가 고려해야합니다.
  • Turbulence model(RANS, RNG etc.)
    : 공기 혼입(Air entrainment) 모델을 사용할 때 적절한 난류모델을 고려해야 합니다. 난류 모델에 대한 설명은 아래 링크를 참조하시길 바랍니다.

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  • Buoyancy : Variable density + Drift-Flux(부력의 효과)
    : 부력(Buoyancy force) 효과를 고려하면 드리프트 플럭스 모델(Drift-Flux model)과의 상호 작용을 설명 할 수 있습니다. 이 경우, 기포는 밀도의 차이로 인해 유체 내에서 이동할 수 있으며 유체 운동에 영향을 줄 수 있습니다.

공기 혼입 모델(Air entrainement model) 해석 사례

Micro-porosity(=Micro-shrinkage) Defects, (미세기포(=미세수축공)에 의한 결함)

Micro-porosity(=Mirco-shrinkage) Defects (미세기포(=미세수축공)에 의한 결함)

FLOW-3D는 특별히 응고 과정 후반에  발생하는 미세수축공의 발생 위치를 예측하기 위한 모델을 갖고 있습니다. 이 정보를 이용하여 설계방안을 조정하고 중요한 결함을 방지 할 수 있습니다. 어떤 주조 부품들은 용탕이 응고하는 동안의 수축에 의한 gas pocket이나 porosity(or shrinkage)이 표면에 드러나면 불량품으로 판정받게 됩니다. 대부분의 크기가 큰 수축공은 응고중 피딩(feeding)을 가능하게 하는 적절한 금형 설계 방법에 의해 제거될 수 있습니다. 용탕의 응고수축을 보상하도록 충분한 feeding이 발생할 때, 미세수축공(micro-porosity, micro-shrinkage)은 일반적으로 발생하지 않습니다. 미세수축공은 충진시 공기혼입에 의한 기포와 발생원인이 상이한 것으로 응고말기 수지상(dendrite)조직에 충분한 용탕이 공급되지 않을 경우 주로 발생하며 일반적으로 부피 비율이 1 % 이하 정도의 작은 기포의 분포의미합니다. 그러므로 미세수축공이 나타날 수 있는 위치 및 가능성을 예측하는 수단을 갖는다는 것은 고품질 주조품의 생산에 매우 중요합니다. FLOW-3D의 미세수축공 모델(micro-porosity model )은 이러한 목적을 위해 개발되었습니다.

[FLOW-3D 물리모델]Air Entrainment / 공기혼입

Air Entrainment / 공기혼입

어떤 자유 표면 유동에서는 난류나 유동조건(, 충돌하는 제트기류 같이)에 의해 자유표면에서 공기가 혼입될 수도 있다. 이는 여수로의 유동, 병의 충진과 금속 주조시의 불순물 예측 같은 다양한 종류에 이용된다.

FLOW-3D에서는 공기의 혼입은 two-fluid model 을 이용하거나, 한가지 유체의 경우에는 공기혼입 모델을 이용하여 이루어질 수 있다. 공기혼입모델은 Model Setup–>Physics 탭에서 활성화된다. 이 모델은 균형력(중력과 표면장력)과 비균형력(난류) 사이의 평형을 이용하여 기체(공간에 의해 나타내지는)가 유체로 유입되는 비율을 추산한다. 이 모델의 주 목적은 자유표면에서의 난류에 의한 공기혼입을 계산하는 것이 주 관심사이지만, 자유표면과 충돌하는 층류 제트에 의한 공기혼입을 다룰 수 있는 논리도 있으므로 난류와 층류 둘 다에 대해 다 적용될 수 있다. 난류를 모델링하는 경우는Two-equation (k ε), RNG 또는 Two-equation (k ω)가 추천된다. 이 모델들은Physics Viscosity and Turbulence 에서 활성화되며, 난류섹션에서 더 자세히 기술되어 있다.

 

공기혼입모델 사용시 Entrainment rate coefficient(유입 비율 계수)는 양수로 정의되어야 하고, default값은 0.5이며 대부분의 경우 초기(특정한 값을 알지 못할 경우)값으로 적합하다. 유체의 표면장력계수 또한 유입 공기량을 정의하는 힘의 평형에 미치는 표면장력을 포함하기 위해 정의될 수 있다. 이는 표면장력 모델을 활성화 시키지는 않는다.

이 기본 유형에서 이 모델은 유동에 영향을 미치지 않는다는 점에서 주 유동에 수동적으로 작동한다. 이는 공기혼입이 상대적으로 작을 때(<10%) 충분하다. 그렇지 않을 경우에는 유동이 공기혼입의 영향을 받을 수 도 있다. 이 효과는Activate bulking Activate buoyancy options을 선택하고 관련 변수들을 정의함으로써 포함될 수 있다. Activate bulking 옵션은Density evaluation모델이 공기혼입으로 인한 불균형 밀도를 고려할 수 있게 해 준다. (밀도 변화 유동 참조). 이 경우 모델 설정창에서 for Density of phase #2에 대한 값들을 넣어주어야 한다.

Activate buoyancy 옵션은 Drift-flux모델이 두 상간의 상호작용을 고려하는 것을 가능하게 해준다. 이를 위해서는 Activate bulking  옵션이 이미 활성화되어 있어야 한다. 이 경우 공기버블은 밀도의 차이로 인해 유체 안에서 움직일 수 있고 유동에 영향을 미친다. Drift Flux에서 이 모델에 대한 상세한 설명을 참조하라. 만약에Allow gas to escape at free surface 항목이 체크되면 Escape of Gas through a Free Surface에서 기술된 것과 같이 유입된 공기가 기포로 들어갈 수가 있다.

다이캐스팅 해석과 같은 높은 압력이 적용될 때 많은 변화를 고려할 수 있는 특별 공기혼입 모델이 있다. 이는 위에서 기술한 수동모델과 유사하나 이는 커다란 갇혀 있는(단열) 버블들로부터 혼입된 공기의 손실을 구현할 수 있으므로 전적으로 수동모델은 아니다. 더구나 혼입된 공기는 이상 기체 방정식을 이용하여 기체의 질량으로 기록이 된다. 그리고 그에 상응하는 혼입공기의 체적은 그 위치에서의 온도와 압력에 대한 같은 기체 방정식을 이용하여 계산되므로 주조시뮬레이션의 마지막 단계에 높은 압력이 가해지면 커다란 압축 때문에 혼입가스의 체적은 작아진다. 이 모델은 모델 설정창에서Activate Pressure Dependence option을 선택함으로써 활성화된다. 이 옵션이 선택되면 특정 기체상수(Air gas constant)를 지정해야 하고 온도가 계산되지 않으면 개략적 용융 금속 온도가 추가로 기체 상태방정식(Reference Temperature기준온도)를 위해 필요하게 된다. 압력과 온도는 기체 상태방정식 사용을 위해 절대온도로 지정되어야 한다.

공기혼입모델은Vol. fraction of entrained air(혼입 공기 체적율)의 양을 계산하고 저장하는데, 이는 공간과 history plots의 후처리에서 가능하다.

Note:
압력에 따라 변하는 옵션으로 기준 온도는 국부적인 유체온도로 지정되는데, 그 이유는 기체온도가 그 위치 유체온도에 의해 영향을 받기 때문이다.

 

Air Entrapment Defects (공기혼입, 기포결함)

Air Entrapment Defects (공기혼입, 기포결함)

FLOW-3D 내의 Air entrapment model은 충진 동안 금형내에서 혼입되는 공기의 양을 추정하기 위해 사용됩니다. 이 모델은 기본적인 물리적 메커니즘을 기반으로 하고 있으며 정확한 미세기포의 예측이 가능합니다. 고속으로 분사되는 용탕과 공기의 혼합을 예측하는 모델로 사용자는 공기 혼입 결함을 방지하기 위한 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 여러 시행 착오 과정을 줄일 수 있습니다. Air entrapment model에 대한 자세한 내용은 모델링 기능 섹션을 방문하십시오.