[논문 리뷰] Bursting Bubble in a Viscoplastic Medium

Vatsal Sanjay, Detlef Lohse외 1명|University of Twente Research Information|2021. 01. 19.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 59인용 수 42

한 줄 요약

본 논문은 DNS를 이용해 yield-stress (viscoplastic) 유체가 자유 표면에서의 기포 파열에 미치는 영향을 조사하고, 플라스토-캡illary 및 Ohnesorge 수의 함수로 4가지 레짐과 플라스틱 저항으로 인한 비평평한 최종 분화구 형상을 드러낸다. 에너지 예산과 레짐 전이를 매핑한다.

ABSTRACT

When a rising bubble in a Newtonian liquid reaches the liquid-air interface, it can burst, leading to the formation of capillary waves and a jet on the surface. Here, we numerically study this phenomenon in a yield stress fluid. We show how viscoplasticity controls the fate of these capillary waves and their interaction at the bottom of the cavity. Unlike Newtonian liquids, the free surface converges to a non-flat final equilibrium shape once the driving stresses inside the pool fall below the yield stress. Details of the dynamics, including the flow's energy budgets, are discussed. The work culminates in a regime map with four main regimes with different characteristic behaviours.

연구 동기 및 목표

• Viscoplastic yield stress가 자유 표면에서의 기포 파열을 어떻게 수정하는지 조사한다.
• Viscoplastic 매질에서의 표면파 역학과 제트 형성을 특성화한다.
• 파열 과정 중 에너지 전달 및 손실을 정량화한다.
• plastocapillary 대 Ohnesorge 매개공간에서 동작 레짐을 매핑한다.
• 산업적 공정 및 지구물리학적 맥락에 적용 가능한 통찰을 제공한다.

제안 방법

• 가상 액체-가스 계면 추적을 위한 Volume of Fluid (VoF) 방법을 이용한 Direct Numerical Simulations (DNS).
• J = yield/tension 비율 및 Ohnesorge 수를 이용한 Regularized Bingham 모델로 viscoplastic 응력을 다룬다.
• 관성, 압력, 점성/항복 스트레스, 중력을 포함하는 액체상의 비차원화된 지배 방정식 및 가스상도 유사하게 풀이한다.
• 인터페이스와 모세관 파동 근처에서 해상도를 확보하는 Adaptive Mesh Refinement (AMR), 최소 셀 크기 Delta = R0/512.
• 유체 계면에서 거의 원형의 기포를 위한 Bo -> 0 설정(Bo = 1e-3)으로 초기 조건을 구성; 가장자리 후퇴와 필름 파열을 모델링해 초기 공동우를 형성한다.
• 잔류 운동에너지 기반의 잔류 조건으로 전체 에너지를 운동에너지, 표면에너지 및 소산 항으로 분해하는 에너지 예산 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 plastocapillary 수 J가 기포 공동이 붕괴하는 동안 표면파 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비점성 매질에서 낭자 분출이 형성되고/또는 방울로 파편화되는 조건은 무엇인가?
• RQ3 yield stress가 최종 분화구 형상과 잔류 표면 에너지를 어떻게 변화시키는가?
• RQ4 J 및 Oh에 따른 비점성 유체의 기포 파열에 대한 다른 레짐은 무엇인가?
• RQ5 다양한 J와 Oh에 대해 운동에너지, 표면에너지, 소산 간의 에너지 예산 분배는 어떻게 되는가?

주요 결과

• yield stress로 인해 모세관파와 제트가 현저히 수정되며, 더 큰 J는 파동을 감쇠시키고 제트 형성을 억제하며, 자공의 완전한 붕괴를 정지시킬 수 있다.
• J–Oh 레짐 맵에서 네 가지 레짐이 있다: Droplets으로 분리되는 제트, 분리 없이 제트, 전체 공동이 붕괴하되 표면은 비평평한 상태 유지, 아래쪽 바닥이 비유출되어 공동 형상을 고정하는 비유출(bottom) 형태.
• 최종 분화구 형상은 비평평하고 잔여 표면 에너지가 존재하는 반면, Newtonian 유체에서는 표면이 평형 상태로 수렴하는 경향이 있으며, 최종 분화구 깊이와 모세관파의 강도는 J와 Oh에 의존한다.
• 에너지 예산은 J를 증가시킬수록 소산이 yield stress로 이동하며, 하단에서 표면이 소거될 때 분화구 표면 에너지가 더 많이 저장된다.
• J가 약 0.65 또는 그 이상일 때 하단 플러그가 비유출 상태를 유지하여 완전한 붕괴를 방지하고 초기 깊이에 가까운 분화구 높이를 고정한다.
• 레짐 전이는 J–Oh 평면의 특정 선에서 일어나며, 결과는 모세관 및 항복 응력 효과의 조합에 의해 좌우된다.