[논문 리뷰] Inertia, coarsening and fluid motion in binary mixtures

M. E. Cates, Viv Kendon외 2명|ArXiv.org|1999. 07. 31.

Lattice Boltzmann Simulation Studies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 메조스케일 시뮬레이션을 사용하여 이분성 혼합물에서 상분리 과정 중 관성에 의한 유체 운동과 고립화 동역학을 조사한다. Doi-Ohta 척도 이론을 도전하며, 외부 비틀림 작용이 가해질 경우 시스템이 정체 상태 도메인 크기에 도달하는 대신, 관성 또는 유한한 시스템 크기로 인해 제한되기 전까지 무한히 고립화되는 정렬된 도메인 구조를 형성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Symmetric binary fluids, quenched into a regime of immiscibility, undergo phase separation by spinodal decomposition. In the late stages, the fluids are separated by sharply defined, but curved, interfaces: the resulting Laplace pressure drives fluid flow. Scaling ideas (of Siggia and of Furukawa) predict that, ultimately, this flow should become turbulent as inertial effects dominate over viscous ones. The physics here is complex: mesoscale simulation methods (such as Lattice Boltzmann and Dissipative Particle Dynamics) can play an essential role in its elucidation, as we describe. Likewise, it is a matter of experience that immiscible fluids will mix, on some lengthscale at least, if stirred vigorously enough. A scaling theory (of Doi and Ohta) predicts the dependence of a steady state domain size on shear rate, but assumes low Reynolds number (inertia is neglected). Our preliminary simulation results (three-dimensional, so far only on small systems) show little sign of the kind of steady state envisaged by Doi and Ohta; they raise instead the possibility of an oriented domain texture which can continue to coarsen until either inertial effects, or (in our simulations) finite size effects, come into play.

연구 동기 및 목표

• 대칭 이분성 혼합물에서 후기 상분리 단계 동안 관성이 유체 운동에 미치는 역할을 이해하는 것.
• Doi-Ohta 척도 이론이 예측하는 바와 같이 비틀림 흐름이 정체 상태 도메인 크기를 유도하는지 검토하는 것.
• 3차원 시뮬레이션에서 관성 효과, 점성력 및 고립화 동역학 간의 상호작용을 조사하는 것.
• 기존의 비틀림 유도 상분리 척도 이론에서 낮은 레이놀즈 수 근사가 가지는 한계를 평가하는 것.
• 유한한 크기의 시스템에서 지속적인 비틀림 하에서 질서 잡힌 도메인 구조가 어떻게 나타나고 진화하는지 탐구하는 것.

제안 방법

• 이분성 유체의 상분리를 모델링하기 위해 라티스 보르츠만 및 산산화 입자 동역학(DPD)을 포함한 3차원 메조스케일 시뮬레이션 방법을 사용하였다.
• 시스템을 불미스성 영역으로 급격히 냉각시켜 자발적인 상분리 및 인터페이스 형성을 허용하였다.
• 외부 힘에 의해 도메인 구조의 반응을 연구하기 위해 정 steady 비틀림 흐름을 적용하였다.
• 시간에 따른 도메인 크기 및 형태의 변화를 분석하며, 정렬된 구조의 출현에 초점을 맞췄다.
• Siggia 및 Furukawa의 척도 이론을 활용하여 점성력에서 관성력 지배 흐름 영역으로의 전이를 설명하였다.
• Doi-Ohta 이론의 예측과 시뮬레이션 결과를 비교하였으며, 이 이론은 낮은 레이놀즈 수와 정체 상태 행동을 가정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Doi-Ohta 이론이 예측하는 바와 같이 비틀림 흐름이 이분성 혼합물에서 정체 상태 도메인 크기를 유도하는가?
• RQ2 관성이 상분리 과정 중 유체 운동과 고립화 동역학을 어떻게 변화시키는가?
• RQ3 정체 상태 평형 상태가 존재하지 않는 조건에서 비틀림 하에서도 정렬된 도메인 구조가 유지되고 계속 고립화될 수 있는가?
• RQ4 관성 효과가 두드러지게 나타날 경우, 유한한 체적 효과가 고립화 과정에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 메조스케일 시뮬레이션은 비틀림 유도 상분리에서 낮은 레이놀즈 수 근사의 타당성에 대해 어느 정도 도전하는가?

주요 결과

• 시뮬레이션 결과는 비틀림 하에서 정체 상태 도메인 크기의 명백한 증거가 없음을 보여주며, Doi-Ohta 예측와 정반대된다.
• 정체 상태에 도달하지 않고, 시스템은 시간이 지남에 따라 계속해서 고립화되는 정렬된 도메인 구조를 형성한다.
• 고립화 과정은 관성 효과 또는 유한한 시스템 크기로 인해 더 이상 성장이 불가능해질 때까지 지속된다.
• 후기 단계에서 관성 효과가 점성력보다 지배적이며, 난류 유사한 흐름 역학으로의 전이 가능성을 시사한다.
• 메조스케일 시뮬레이션은 곡면 인터페이스에서 발생하는 라플라스 압력에 의해 유도되는 복잡한 유체 운동을 드러내며, 이는 비틀림 하에서 더욱 강화된다.
• 결과적으로 Doi-Ohta 척도 이론은 관성이 상당히 중요한 조건에서는 적용되지 않을 수 있음을 시사한다.