[논문 리뷰] Flow-induced breakup of drops and bubbles

Suhas Jain S|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 22.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 70인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 낙하 및气泡의 유동 유도 붕괴의 물리학을 검토하며, 점성, 관성, 난류 영역으로 나누어 기계적 메커니즘을 분류한다. 임계 직경, 붕괴 시간, 변형 한계와 같은 핵심 매개변수를 규명하고, 웨버 수 및 표면장력 수와 같은 비차원 수를 사용하여 다상 유동에서의 붕괴 모델링을 위한 종합적인 프레임워크를 제공한다.

ABSTRACT

Breakup of drop/bubble can be viewed as a result of fundamental force balance when the disruptive force is greater than the restorative force. A disruptive force acting on the drop/bubble tries to deform it, whereas a restorative force refrains it from deforming. Studying breakup and coalescence phenomenon is utmost important since it governs the amount of interfacial area and hence the exchange of heat, mass and momentum across the interface. It also helps in the development of better closure relations for modeling large scale systems. In this paper, abundant literature consisting of theoretical, experimental and numerical works up to date is reviewed. Broadly, breakup is classified into viscous, inertial and complex turbulent breakup. Physics involved and non-dimensional numbers governing the drop and bubble breakup in various flow configurations are discussed. Characteristic parameters of the breakup such as critical diameter ($d_{max}$), maximum deformation, breakup time ($t_b$), wavelength of disturbance ($λ$), impurities in the flow, initial shape of the drop/bubble, history of the flow and critical values of non-dimensional numbers are examined and the important parameters are listed for ready-to-use in modeling approaches. Finally, scope for future work in number of areas is identified.

연구 동기 및 목표

• 분산 다상 유동에서의 모델링 향상을 위해 낙하 및 기포 붕괴에 대한 기계적 이해를 체계화하기 위해.
• 임계 직경, 붕괴 시간, 최대 변형과 같은 붕괴를 지배하는 핵심 매개변수를 식별하고 종합하기 위해.
• 유동 영역(점성, 관성, 난류)과 관련된 무차원 수를 기반으로 붕괴 메커니즘을 분류하기 위해.
• 붕괴와 응집 효과를 분리함으로써, 유체역학적 두상 유동 CFD 시뮬레이션에서 신뢰할 수 있는 닫힘 모델 개발의 기초를 마련하기 위해.
• 특히 부력이 작용하는 난류 유동에서의 현재 이해의 격차를 부각하고 향후 연구 방향을 제안하기 위해.

제안 방법

• 2017년까지의 낙하 및 기포 붕괴에 관한 이론적, 실험적, 수치적 연구를 체계적으로 검토한 바탕으로.
• 지배력이 되는 힘에 따라 붕괴 메커니즘을 분류: 저레이놀즈 수에서는 점성력에 의한 전단력, 고레이놀즈 수에서는 관성력, 난류에서는 난류 소용돌이 상호작용.
• 붕괴 임계점 특성을 기술하기 위해 무차원 수(웨버 수, 표면장력 수, 오네소르지 수, 에를뢰브스 수, 본드 수, 모턴 수) 분석.
• 핵심 매개변수 분석: 임계 직경 $d_{\text{max}}$, 붕괴 시간 $t_b$, 최대 변형, 교란의 파장 $\lambda$, 오염물 영향.
• 단시간 상호작용을 가지는 난류 유동에서 붕괴 역학을 해석하기 위해 비정상 형태 인자(USF) 모델 사용.
• 균일한 난류와 부력에 의해 구동되는 유동 간의 붕괴 행동 비교를 통해 진동 감쇠 및 붕괴 메커니즘의 차이를 규명함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 점성, 관성, 난류 유동 영역에서 낙하 및 기포 붕괴를 지배하는 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 웨버 수 및 표면장력 수와 같은 무차원 수는 다양한 유동 조건에서 붕괴의 시작을 어떻게 예측할 수 있는가?
• RQ3 특히 난류 유동에서의 유동 역사를 고려할 때, 붕괴 시간과 변형 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 부력은 균일한 난류와 비교할 때 난류 유동에서 입자의 변형 및 붕괴 행동을 어떻게 변화시키는가?
• RQ5 붕괴의 시작을 정의하는 변형, 직경, 시간의 임계 값은 무엇이며, 이는 유동 매개변수에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 저레이놀즈 수 유동에서 붕괴는 점성 전단 응력에 의해 지배되며, 이는 표면장력 수, 점도 비율, 오염물 농도에 의존한다.
• 고레이놀즈 수 유동에서는 관성력이 지배적이며, 붕괴는 주로 웨버 수와 오네소르지 수에 의해 결정된다.
• 난류 유동에서는 개별 난류 소용돌이와의 상호작용으로 붕괴가 발생하며, 상호작용 시간 $t_i \ll 1/f_2$ 조건에서 붕괴 시간 $t_b$ 는 제2모드 고유주파수 $f_2$ 의 역수 비례로 스케일링된다.
• 부력이 작용하는 난류 유동에서 붕괴를 유도하는 임계 변형은 균일한 난류에서 관측된 값과 일치하여 유사한 임계 행동을 나타낸다.
• 형상 진동은 자연 주파수 $f_2$ 와 유사한 시간 스케일에서 감쇠되며, 확률적 공명의 증거는 없어, 단일 소용돌이 상호작용이 붕괴를 주도함을 시사한다.
• 난류 기포 컬럼에서 붕괴 시순간 웨버 수는 일반적으로 약 10이며, 이는 파괴를 위한 특성 에너지 임계점임을 나타낸다.