[FLOW-3D 물리모델] Moisture Drying Model / 수분건조모델

Moisture Drying Model / 수분건조모델

다공물질과 사형몰드는 전반적으로 수분을 포함하고 있을 보인다. 이 수분은 온도변화나 건조한 공기에 노출되어 증발할 것이다. 한 예는 사형몰드 내의 금속주조인데 여기서 몰드 온도는 주조응고 시에 증가할 것이다. 증발 시에 방출된 잠열은 몰드 온도변화 및 주조물의 냉각율에 심각한 영향을 줄지도 모른다.

이 모델을 이용하기 위해 Physics → Moisture 로 가면 다음 창이 열린다.

단순한 모델은 Isothermal moisture drying model 이고 이는 요소 내의 수분이 일정한 온도에서 증발한다고 가정한다(즉, 압력변화로 인한 포화온도에 미치는 영향은 최소이다). 이 모델을 이용할 때 수분의 Density, Specific heat, Evaporation temperature, 그리고 Latent heat of evaporation 데이터가 여기서 주어져야 한다. 이 값들은 모사 시 존재하는 유체에 대해 주어지는 데이터와 일치할 필요가 없다는데 주목해라. 주어지는 디폴트 값들은 CGS 단위의 물에 대한 값이다-모사 시에 필요하다면 다른 값을 입력한다.

Moisture Drying Model / 수분건조모델

창의 우측에 있는 Moisture Content 에 요소내의 수분의 초기조건이 어떻게 입력되는지에 대한 선택이 있다. 디폴트는 Percent weight fraction 이며 초기 데이터는 수분성분의 요소 전체 무게에 대한 백분율이다. 요소의 단위체적당 수분 질량에 대한 데이터가 선호되면 Weight per bulk component volume 를 선택한다.

선택은 더 복잡하고 압축유동과 비 응축가스모델(Two Fluids with Non-condensable Gas참조)을  갖는 2개의 유체 문제에서만 사용될 수 있다. 비 응축가스인 유체 2에 대한 Gas constant 과 Specific heat 데이터를 확인한다-디폴트 값은 CGS 단위에서의 공기의 값이다.

FLOW-3D 의 Isothermal moisture drying model 은 증기는 기화 후 즉시 요소로부터 방출되고 재 응축이 되지 않는다고 가정한다. 이는 별도의 증기전달 방정식을 풀지 않으므로 모델을 상당히 단순화시킨다. 이 모델은 Physics → Heat transfer → Solve full energy equation in solids model 이 활성화 되어야만 사용될 수 있다. 수분은 0이아닌 Density*Specific heat 와 Thermal Conductivity를 갖는 요소, 즉 자체 내 온도변화를 가질 수 있는 요소에서만 존재할 수 있다. 수분이 있는 요소의 다공도는 지정될 필요가 없고 Density*Specific heat 와 Thermal Conductivity 값은 macroscopic이다: 다공도는 이 값들에 반영되어 있다

Two-phase moisture drying model 을 사용하기 위해서는 수분요소가 다공매체이어야 한다; 수분 건조모델에 의해 발생하는 가스는 가스유체2의 일부가 되고 다공요소를 통하여 전달된다. 추가로, Non-condensable gap model 의 선택과 함께 Physics → Bubble and phase change 에서 Two-fluid phase change 모델을 활성화할 필요가 있다. 그러므로 수분증발은 다공공간 안의 포화 압력과 지역압력 그리고 그 안에서의 기체의 부분압력에 의해 조절된다. 기화 잠열과 비열은 상변화 모델(Two-fluid Model 참조). 에서 정의된다. 이 모델은 0이아닌 Density*Specific heat 와 Thermal Conductivity 를갖는 요소, 즉 자체 내 온도변화를 가질 수 있는 요소에서만 사용될 수 있다. 그러나 이모델에서 Density*Specific heat 와 Thermal Conductivity 값은 요소의 고체부분에 대한 미시적 값들이다(즉, 지정된 다공도가 계산에서 사용되는 값을 계산하는데 이용되므로, 다공도가 없는 값이다)

요소 내의 균일한 초기 수분양은 Meshing & Geometry → Component Properties → Moisture Properties 에서 지정된다. Physics → Moisture 에서 정의된 것과 같이 Contains Moisture 옆의 펼쳐지는 메뉴에서 Yes를 택하고 Percent weight fraction (0 과 100사이의 무차원 수)나 Weight per bulk component volume (질량/체적 의 단위)로써 the Moisture content 를 지정한다.

또한 요소의 Dry Density 에 대한 데이터를 주는 것이 필요하다.  Isothermal moisture drying model 에서 이는 밀도의 macroscopic값이다(즉, 다공성을 포함하는), 반면에 Two-phase moisture drying model 에서는 microscopic 값이다(즉, 다공성을 고려 안 하는).

수분은 Analyze → 2-D 또는 3-D 로부터 Moisture content를 그림으로써 볼 수 있다. 전체 수분체적 또한 전체 유체 체적과 유사하게 Analyze → Probe 의 History 데이터에서 시간의 함수로 보여질 수 있다.

Note:

  • 수분의 Specific heat 가 “dry” 부분의 비열에 추가되나 요소 전도도는 수분함량에 따라 변하지 않는다.
  • FLOW-3D 의 Isothermal moisture drying model 에서 수분의 존재는 요소가 다공성이라는 것을 뜻한다. 그러나 수분을 수용하는 요소가 다공성이지만 사용자는 수분모델을 사용하기 위해 다공요소 모델을 사용할 필요가 없다. 수분함유 요소의 경우, 요소체적양은 VBULK = VOBS/(1−φ) 로써 정의되며 φ 는 요소 다공도이고 VOBS 는실제(고체)요소 체적이다.

FSR-05-14_moisture drying model [수분/습기 건조 모델]

Introduction
In the manufacture of paper it is necessary to remove all water from the paper before it is rolled up. The majority of water is typically removed by squeezing the paper between large rollers. The remaining moisture can be removed by forcing hot air through the paper to accelerate its evaporation.
Using heated air can be an expensive process so there is interest in investigating optimum arrangements for achieving the fastest and least expensive means of removing the residual water from paper. A prototype arrangement using heated air is shown in the following figure: (그림은 첨부파일 참조)

Both the paper and the fabric backing are porous materials. The support blocks may not be porous. It is expected that the permeability of the fabric and paper will be a function of their water content.
This report describes a software development that allows for a realistic treatment of the drying process in porous media such as that shown in Fig. 1. A description is given of the new model, which has been validated with available data. This data does not cover the entire range of moisture content or airflow rates that are typically encountered in practice. Consequently, it may be found necessary to make some small model adjustments. It is hoped that the formulation of the model, which is based on simple physical principles, will be easy to adjust to fit a larger range of observations.
Before describing the new model, a better perspective of its capabilities can be appreciated by noting some of the ways that it differs from previous work on paper drying. Most importantly, the new model considers the paper as having finite thickness and properties such as moisture content, temperature and vapor concentration that vary through the thickness. Thus, the paper may have dried on the upstream side, but still be completely wet on the opposite side. Another difference is that air and water vapor constitute a two-component gas that is compressible. Compressibility means, for
example, that the gas velocity in the paper must increase in the direction of flow because of the decrease in pressure through the paper (i.e., density and/or temperature must decrease by expansion to give a pressure decrease). Since flow velocity has an important effect on drying rate, compressibility can influence local drying conditions in the paper.

Finally, by computing transient conditions throughout the paper, this model could be used to investigate arbitrary non-uniform initial conditions or paper with a non-uniform thickness and/or porosity distribution.

 

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FSR-05-14_moisture drying model