[논문 리뷰] Applications of elastic instability and elastic turbulence: Review, limitations, and future directions

C. Sasmal|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 06.

Rheology and Fluid Dynamics Studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 미세유체역학 혼합, 마이크로스케일 열전달 및 화학적으로 강화된 오일 복구(EOR)에서 탄성 불안정성(EI)과 탄성 난류(ET)의 응용을 검토하며, 이들이 물질 이동 과정을 향상시킬 잠재성을 강조한다. 현재 연구의 핵심적 한계를 밝히고, 전기역학적 구동 ET, 다공체 스케일 동역학, 실세계 응용에 대한 향후 연구를 촉구한다.

ABSTRACT

Viscoelastic fluids are a subclass of complex fluids used in widespread applications ranging from biological to large-scale industrial settings. These fluids are often associated with various complex flow phenomena due to the presence of non-linear elastic stresses, originating due to the stretching and relaxation phenomena of microstructure (such as polymer molecules in the case of a viscoelastic polymer solution) in a deformed flow field. One such phenomenon is elastic instability (EI) which emerges due to the interaction between elastic stresses and streamline curvature present in a flow system at small values of the Renolds number (ratio of the inertial to that of the viscous forces) when the Weissenberg number (ratio of the microstructure relaxation time to that of the rate of flow deformation) exceeds a critical value. On further increasing this Weissenberg number to higher values, the unstable flow field caused due to this elastic instability transits to a more chaotic and turbulent-like flow structure called elastic turbulence (ET). Over the last two decades or so, an extensive investigation has been performed on this particular topic in the complex fluids research community. Some excellent articles recently present this ET phenomenon's development, understanding, and progress in the literature. This article focuses on the application perspectives of this phenomenon. In particular, this article aims to provide a comprehensive review of the investigations conducted so far in the literature to demonstrate the potential of these EI and ET phenomena in three main application areas, namely, microfluidic mixing, microscale heat transfer, and chemically enhanced oil recovery (EOR) process. Additionally, a detailed discussion of the limitations and future directions of these EI and ET phenomena from an application point of view is also presented in this article.

연구 동기 및 목표

• 탄성 불안정성(EI)과 탄성 난류(ET)의 응용 잠재력을 미세유체 시스템, 열전달 및 강화 오일 복구(EOR) 분야에서 종합적으로 검토하기.
• 실제 적용 가능성과 시스템 복잡성과 관련된 현재의 실험 및 시뮬레이션 연구에서의 주요 한계를 규명하기.
• 특히 고분자 계 표면활성제와 비뉴턴성 원유를 포함한 복잡한 유체 시스템에서 ET의 다공체 스케일 연구 부족을 부각하기.
• 이동 부품이 없는 미세유체 장치에서 유리한 점을 고려해, 전기역학적 구동 ET에 대한 향후 연구를 주장하기.
• 직접 응용 기반 실험을 통해 미세열싱크 및 랩온칩 반응기와 같은 실용적 공학 시스템에서 EI와 ET의 유효성을 검증할 것을 촉진하기.

제안 방법

• 미세유체 혼합, 마이크로스케일 열전달 및 EOR의 세 응용 분야에서 EI 및 ET에 관한 실험 및 수치 연구에 대한 체계적 문헌 검토.
• EI 발생 및 ET로의 전이를 지배하는 핵심 무차원 수인 Weissenberg 수(Wi = λγ̇) 분석.
• 유변학적 응력 발현 및 불안정성 발생 시점을 모델링하기 위해 유체역학적 시뮬레이션(CFD) 및 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 활용한 유동 역학 평가.
• 입자 이미지 속도 측정(PIV) 및 슈라이렌 영상 기법을 활용해 실험적으로 ET에 의해 유도된 난류 구조를 시각화.
• 압력 구동형 대비 전기역학적 구동형 유동 시스템을 비교하여, 저레이놀즈수 미세유체 플랫폼에서 ET 생성 가능성 평가.
• 다공체 스케일 시뮬레이션에 있어서 도약 유체(예: 고분자 용액) 및 도망 유체(예: 비뉴턴성 원유)의 유변학적 모델 통합.

Figure 1: Experimental study of the mixing performance in a curvilinear microchannel utilizing the EI and ET phenomena Groisman and Steinberg ( 2001 ) . (a) The experimental setup consisted of a curvilinear microchannel with two inlets and smoothly connected sixty half-rings (numbered 1, 2, .., 30)

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄성 불안정성과 탄성 난류는 저레이놀즈수 조건에서도 어떻게 미세유체 장치의 혼합 효율을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 저레이놀즈수 조건에서 미세열싱크에서 ET는 열전달 속도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 도약 유체(예: 고분자 용액)와 도망 유체(예: 비뉴턴성 원유)의 유변학적 특성은 다공성 매체 내 ET 기반 원유 이송에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 폴리머 계 표면활성제를 포함한 시스템에서 ET에 대한 다공체 스케일 연구가 부족한 이유는 무엇이며, EOR 응용에 있어 그 영향은 무엇인가?
• RQ5 압력 구동형 대비 전기역학적 구동형 흐름이 ET 생성에 더 효과적인가? 그리고 이는 미세유체 시스템에 실질적인 이점은 무엇인가?

주요 결과

• ET는 저레이놀즈수에서도 난류 유동 구조를 생성함으로써 미세유체 시스템에서 혼합 효율을 크게 향상시키며, 외부 진동 없이도 효율적인 질량 이동을 가능하게 한다.
• 전기역학적 구동 ET는 플러그형 속도 프로파일과 이동 부품이 없는 점에서 압력 구동 시스템에 비해 유망한 대안이지만, 실험적 검증은 아직 제한되어 있다.
• 화학적으로 강화된 오일 복구(EOR) 분야에서 ET는 다공성 매체 내 유동 경로를 변화시키고 유체 혼합을 촉진함으로써 원유 이송 효율을 향상시킬 수 있으나, 아직 대규모 적용은 이루어지지 않았다.
• ET에 관한 대부분의 EOR 연구는 원유의 유변학적 거동을 간과하고 있으며, 이는 점성계수 감소, 유역 응력 및 유변학적 특성을 포함할 수 있으나, 이는 ET 발생과 원유 회수에 중대한 영향을 미친다.
• 고분자 종류, 농도 및 분자량이 ET 생성에 미치는 영향을 체계적으로 연구한 사례가 부족하여 산업적 EOR 응용 최적화에 한계가 있다.
• 고레이놀즈수에서의 탄성 관성 난류(EIT)에 대한 연구는 광범위하게 이루어졌지만, ET에서 EIT로의 전이 경로는 아직 탐색되지 않았다. 다만 최근의 시뮬레이션 결과는 두 영역을 연결하는 연속적인 선형 불안정성 분지가 존재할 가능성을 시사한다.

Figure 2: Mixing patterns of an ink drop placed at the center of a Couette-Taylor (CT) cell utilizing the ET phenomenon at different times Groisman and Steinberg ( 2004 ) in viscoelastic polymer solutions (a) and a Newtonian solvent (b).