[논문 리뷰] High Fidelity Simulations of Micro-Bubble Shedding from Retracting Thin Gas Films in the Context of Liquid-Liquid Impact

Shahab Mirjalili, Wai Hong Ronald Chan외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 29.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 26인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 액체-액체 충격에서 형성된 수축하는 얇은 기체 필름으로부터 미세거품이 탈락하는 것을 고해상도 2차원 및 3차원 확산 인터페이스 시뮬레이션을 통해 조사하며, 3차원 표면장력 불안정성(레이놀즈-플라우-유사)이 거품 형성의 원인임을 밝혀낸다. 주요 발견은 미세거품의 직경이 필름 두께에 대해 비선형적으로 비례하며, Oh = 0.072일 때 약 15배의 필름 두께에 해당하고, 점성 효과는 탈락을 지연시켜 더 큰 거품을 생성한다는 것이다.

ABSTRACT

Micro-bubbles are of significant interest due to the long-living signature they leave behind naval ships. In order to numerically model and predict these bubbles in naval applications, subgrid-scale models are required because of the extreme separation of length- and time-scales between the macroscopic geometries and the physical processes leading to the formation of these bubbles. Yet, there is much that is unknown about the mechanism behind the entrainment of such bubbles. Furthermore, quantitative information regarding their size distribution and dependence on flow parameters is very limited. Impact events are hypothesized to be the main contributor to the generation of micro-bubbles. This is due to a phenomenon known as Mesler entrainment, which has been observed in the context of the drop-pool impact problem. Namely, when a water droplet with diameter of $\mathcal{O}(1mm)$ impacts a deep water pool with an impact velocity of $\mathcal{O}(1m/s)$, hundreds of air micro-bubbles are entrained into the pool. These bubbles have been found to be remnants of a very thin air film entrapped between the two liquid bodies. These films have extremely high aspect ratios and after being punctured, shed micro-bubbles while retracting on time scales much shorter than the outer flow time scales. This separation of time-scales, along with a lacking of studies on retracting thin gas films has motivated us to study this fundamental problem with numerical simulations in two and three dimensions. Using a diffuse interface method, we perform two-phase simulations of retracting thin gas films in initially static liquid backgrounds to gain understanding regarding this problem and gather statistics that can be potentially used in a subgrid-scale model to predict micro-bubble shedding from a thin gas film. Coupling a model like this to a model that predicts the thin film characteristics ...

연구 동기 및 목표

• 해군 항로에서 지속적인 미세거품의 주요 원인인 액체-액체 충격에서 수축하는 얇은 기체 필름으로부터 미세거품 형성의 기본 메커니즘을 이해하기 위해.
• 오른소르지 수를 제어 변수로 삼아 필름 두께와 점성에 따른 미세거품 크기 및 탈락 동역학의 의존도를 정량화하기 위해.
• 2차원 시뮬레이션에서 거품 형성이 발생하지 않음에도 불구하고 3차원 불안정성이 미세거품 탈락을 가능하게 하는 역할을 규명하기 위해.
• 대규모 해군 유동 시뮬레이션에서 미세거품이 유입되는 것을 위한 미세구역 모델링을 위한 데이터와 척도 법칙을 제공하기 위해.

제안 방법

• 수축하는 얇은 공기 필름의 동역학을 나노스케일 해상도에서 캡처하는 표면장력 구동 역학을 모델링하기 위해 고해상도 2차원 및 3차원 확산 인터페이스 시뮬레이션을 사용한다.
• 점성 효과가 수축과 불안정성에 미치는 영향을 연구하기 위해 오른소르지 수(Oh)를 0.072에서 0.32로 변화시키며, 필름 두께는 100 nm에서 2 μm로 다양하게 설정한다.
• 2차원 수축 전면에 대해 유사성 해법을 유도하여 시간에 따라 변화하는 수축 속도와 거칠기의 자가유사적 형태 변화를 설명한다.
• 수축하는 가장자리에 발생하는 길이 방향의 파형 불안정성 형성 원인을 설명하기 위해 표면장력 불안정성 분석을 적용하며, 이는 필름 파손과 함께 미세거품 방출을 이끈다.
• 필름 부피와 시간을 추적하여 최소한의 미세거품 직경을 추정하고 실험 데이터와 검증한다.
• 다양한 Oh 수 범위에서 진행 중인 3차원 시뮬레이션에서 미세거품 크기 및 탈락 시간에 대한 척도 법칙을 도출 중이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체-액체 충격에서 수축하는 얇은 기체 필름으로부터 미세거품이 탈락하는 원인는 무엇이며, 왜 2차원 시뮬레이션은 거품을 생성하지 못하는가?
• RQ2 오른소르지 수가 얇은 기체 필름의 수축 속도, 가장자리 형태 및 거품 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 점성력이 얇은 기체 필름의 수축 가장자리에서 표면장력 불안정성을 얼마나 지연하거나 억제하는가?
• RQ4 레이놀즈-플라우 유사한 3차원 표면장력 불안정성 메커니즘이 얇은 기체 필름에서 관측된 미세거품 형성 원인으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 필름 두께와 점성에 대한 함수로서 미세거품 직경과 탈락 시간을 지배하는 척도 법칙은 무엇인가?

주요 결과

• 수축하는 얇은 기체 필름에서의 미세거품 탈락은 2차원 동역학이 아닌 3차원 표면장력 불안정성에 의해 주도되며, 2차원 시뮬레이션에서 거품이 존재하지 않는 것으로 확인된다.
• 얇은 기체 필름의 수축 속도는 시간이 지남에 따라 감소하며, 2차원 가장자리는 속도의 거듭제곱 감쇠 법칙에 따라 자가유사적 형태로 진화한다.
• Oh = 0.072일 경우, 미세거품의 직경은 약 15배의 필름 두께에 해당하며, 800 nm 필름일 경우 최소 거품 크기는 약 15 μm이다.
• 더 높은 오른소르지 수(Oh = 0.113 등)에서는 점성력이 표면장력 파동을 억제하고 구멍 형성을 지연시켜 필름 두께 대비 더 큰 미세거품을 생성한다.
• 시뮬레이션 결과는 미세거품 직경이 필름 두께에 대해 비선형적으로 비례하며, 100 nm 이하의 필름에서 10–100 μm의 거품이 관측된 것과 일치한다.
• 지속 중인 3차원 시뮬레이션은 해군 유동 시뮬레이션에서 미세거품이 유입되는 것을 위한 미세구역 모델링에 사용할 정량적 척도 법칙을 도출할 예정이다.