[논문 리뷰] Computational modelling of gas-liquid-solid multiphase free surface flow with and without evaporation

Huihuang Xia, Marc Kamlah|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 18.

Fluid Dynamics and Heat TransferEngineering인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기화를 수반하거나 미반영하는 기체-액체-고체 다상 자유면 유동을 시뮬레이션하기 위한 향상된 해결된 CFD-DEM 프레임워크를 제시한다. 부분적으로 떠 있는 입자에 대한 정밀한 표면장력 모델을 통합하여 유체-고체 상호작용과 입자 궤적을 정확하게 예측한다. 벤치마크 사례를 통한 검증과 함께 기화에 의한 입자 이송 및 축적 현상에 대한 적용 사례도 제시한다.

ABSTRACT

Gas-liquid-solid multiphase systems are ubiquitous in engineering applications, e.g. inkjet printing, spray drying and coating. Developing a numerical framework for modelling these multiphase systems is of great significance. An improved, resolved CFD-DEM framework is developed to model the multiphase free surface flow with and without evaporation. An improved capillary force model is developed to compute the capillary interactions for partially floating particles at a free surface. Two well-known benchmark cases, namely drag coefficient calculation and the single sphere settling, are conducted to validate the resolved CFD-DEM model. It turns out that the resolved CFD-DEM model developed in this paper can accurately calculate the fluid-solid interactions and predict the trajectory of solid particles interacting with the liquid phase. Numerical demonstrations, namely two particles moving along a free surface when the liquid phase evaporates, and particle transport and accumulations inside an evaporating sessile droplet show the performance of the resolved model.

연구 동기 및 목표

• 잉크젯 인쇄 및 스프레이 드라이닝과 같은 공학적 응용 분야에서 복잡한 기체-액체-고체 다상 자유면 유동을 시뮬레이션하기 위한 계산 프레임워크를 개발하는 것.
• 부분적으로 떠 있는 고체 입자와 자유액면 사이의 정확한 표면장력 상호작용을 모델링하는 데 도전하는 것.
• 해결된 CFD-DEM 접근법을 자유면을 가진 다상 시스템에 기화 효과를 포함하도록 확장하는 것.
• 기존의 기준 사례와의 비교를 통해 모델의 정확성을 검증하고, 입자 이송 및 축적을 포함한 실제 유동 시나리오에서의 예측 능력을 입증하는 것.

제안 방법

• 기체-액체 자유면에서 부분적으로 떠 있는 입자에 작용하는 표면력 계산을 위한 향상된 표면장력 모델을 개발하였다.
• 해결된 CFD-DEM 프레임워크는 유체-입자 및 입자-입자 상호작용을 해결 가능한 스케일에서 계산유체역학(CFD)과 이산요소법(DEM)을 결합한다.
• 다상 유동에서 액상의 자유면을 추적하기 위해 체적 유체(VOF) 방법을 사용한다.
• 기화는 액체-기체 인터페이스에서 표면 질량 이동 과정으로 모델링되며, VOF 프레임워크와 결합된다.
• 유체역학, 입자 역학, 표면력 요소를 통합하여 일관된 솔버로 임시적 시뮬레이션을 수행한다.
• 항력 계수 계산 및 단일 구형입자 침강과 같은 벤치마크 사례를 통해 유체-고체 상호작용의 정확성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해결된 CFD-DEM 프레임워크는 기화 없이 자유면 유동에서 유체-고체 상호작용을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 향상된 표면장력 모델은 자유면에서 부분적으로 떠 있는 입자의 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기화 과정 중에 액적에 의한 입자 이송 및 축적은 어떻게 시뮬레이션되는가?
• RQ4 프레임워크는 기화 조건에서 액체 브릿지 형성 및 입자 이동과 같은 복잡한 다상 유동 거동을 어떻게 포착하는가?
• RQ5 모델은 다상 시스템에서 항력 및 침강에 대한 기존 기준 결과를 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 해결된 CFD-DEM 모델은 정지한 유체 내 단일 구형입자의 항력 계수와 침강 궤적을 정확하게 예측하여 유체역학 성분의 정확성을 입증한다.
• 향상된 표면장력 모델은 자유면에서 부분적으로 떠 있는 입자의 평형 위치와 힘의 균형을 성공적으로 포착한다.
• 기화 과정 중에 자유면을 따라 움직이는 두 개의 입자 시뮬레이션에서, 표면장력에 의해 접선선 쪽으로 입자가 이동하는 현상을 재현한다.
• 기화하는 액적 가장자리에서 입자가 축적되는 현상은 마랑고니력과 표면장력 유동에 의해 정확하게 시뮬레이션된다.
• 기화, 자유면 변형, 입자 이송을 포함한 복잡한 다상 상호작용을 정확하고 견고하게 시뮬레이션할 수 있음을 입증한다.