[논문 리뷰] Investigating the source of hysteresis in the Soil-Water Characteristic Curve using the multiphase lattice Boltzmann method

Reihaneh Hosseini, Krishna Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 14.

Lattice Boltzmann Simulation Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 다상 유동격자 뜨락만 방법(Multiphase Lattice Boltzmann Method, LBM)을 사용한 미세구조 시뮬레이션을 통해 토양-수분 특성곡선(SWCC)의 히스테리시스의 근본 원인을 규명한다. 연구 결과, 히스테리시스는 포화 시 액체 브릿지의 확장과 비포화 시의 공기 클러스터 확장 간 비대칭성에서 기인하며, 습윤 과정에서는 작은 포화에서 큰 포화으로 확장되고 융합되는 다수의 액체 브릿지가 존재해 더 큰 곡률 반경과 낮은 수두를 만들어내지만, 건조 과정에서는 기존의 기체 클러스터만 확장되며, 이는 포화 개구부의 크기에 제약을 받기 때문에 더 작은 곡률 반경과 높은 수두를 유도한다. 이는 접촉각, 기체 포획, 잉크병 효과, 구조 변화 등의 요소를 통제한 상황에서도 동일하게 나타난다.

ABSTRACT

The soil-water characteristic curve (SWCC) is the most fundamental relationship in unsaturated soil mechanics, relating the amount of water in the soil to the corresponding matric suction. From experimental evidence, it is known that SWCC exhibits hysteresis (i.e. wetting/drying path dependence). Various factors have been proposed as contributors to SWCC hysteresis, including air entrapment, contact angle hysteresis, ink-bottle effect, and change of soil fabric due to swelling and shrinkage, however, the significance of their contribution is debated. From our pore-scale numerical simulations, using the multiphase lattice Boltzmann method, we see that even when controlling for all these factors SWCC hysteresis still occurs, indicating that there is some underlying source that is not accounted for in these factors. We find this underlying source by comparing the liquid/gas phase distributions for simulated wetting and drying experiments of 2D and 3D granular packings. We see that during wetting (i.e. pore filling) many liquid bridges expand simultaneously and join together to fill the pores from the smallest to the largest, allowing menisci with larger radii of curvature (lower matric suction). Whereas, during drying (i.e. pore emptying), only the limited existing gas clusters can expand, which become constrained by the size of the pore openings surrounding them and result in menisci with smaller radii of curvature (higher matric suction).

연구 동기 및 목표

• 공기 포획, 접촉각 히스테리시스 등의 제안된 메커니즘에도 불구하고 해결되지 않은 토양-수분 특성곡선(SWCC)의 히스테리시스 원인을 규명하는 것.
• 접촉각 히스테리시스, 공기 포획, 잉크병 효과, 토양 구조 변화 등의 알려진 기여 요소를 체계적으로 제거하여 SWCC 히스테리시스의 근본 원인을 분리하는 것.
• 모든 전통적 요소를 통제한 이상적인 미세구조 조건에서 히스테리시스가 여전히 존재하는지 수치 시뮬레이션을 통해 조사하는 것.
• 2차원 및 3차원 입자 배열에서 습윤(주입)과 건조(배수) 과정에서의 미세구조적 액체 및 기체 상 분포를 비교하여 히스테리시스를 유도하는 구조적 차이를 규명하는 것.
• 관측된 히스테리시스가 매크로스코픽 토양 특성이나 경계 효과와 무관하게, 포화 및 비포화 과정의 역학적 특성에 기인한 고유한 특성인지 확인하는 것.

제안 방법

• 다상 유동격자 뜨락만 방법(LBM)을 사용하여 포화계에서 유체 역학을 시뮬레이션하여 액체-기체 인터페이스 및 모세관력의 정확한 모델링을 가능하게 한다.
• 접촉각 히스테리시스의 기여 요소를 제거하기 위해 일정한 평형 접촉각을 사용한다.
• 모든 시스템에 균일하게 주입 및 배수를 적용하여 잉크병 효과 및 기체 포획을 방지하기 위해 습도 챔버를 모의한다.
• 모든 시뮬레이션 동안 입자 위치를 고정하여 팽창 또는 수축에 의한 토양 구조 변화를 배제한다.
• 다양한 복잡도의 2차원 및 3차원 입자 배열에서 습윤 및 건조 사이클 동안 액체 및 기체 상 분포의 변화를 추적한다.
• 포화도(S_r)의 다양한 수준에서 상 분포를 분석하며, 특히 클러스터 형성, 곡률 반경 및 주입 및 배수 과정 중 수두 값에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 알려진 요소—기체 포획, 접촉각 히스테리시스, 잉크병 효과 등을 통제한 상황에서 토양-수분 특성곡선(SWCC)의 지속적인 히스테리시스는 무엇에 기인하는가?
• RQ2 포화 과정(주입)과 비포화 과정(배수)에서의 포화 역학은 어떻게 다르며, 액체-기체 인터페이스의 어떤 구조적 특성이 수두의 차이를 유도하는가?
• RQ3 주입 및 배수 과정에서의 액체 및 기체 상 분포가 수렴하기 시작하는 포화도(S_r)는 어느 정도이며, 이는 모세관 평형의 시작 시점에 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 왜 대규모 3차원 모델에서 조차도 매우 낮은 수분 함량에서도 SWCC 히스테리시스가 전체 포화 범위에서 지속되는가?
• RQ5 주입 및 배수 과정에서 기체 클러스터의 수와 크기는 얼마나 다를지, 이러한 차이는 결과적인 매트릭 수두에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 접촉각 히스테리시스, 기체 포획, 잉크병 효과, 토양 구조 변화를 제거한 상황에서도 SWCC의 히스테리시스가 지속되며, 이는 더 깊은 근본 원인이 있음을 시사한다.
• 습윤 과정(주입)에서는 다수의 액체 브릿지가 동시에 확장되고 융합되어 더 큰 곡률 반경과 낮은 매트릭 수두를 형성할 수 있다.
• 건조 과정(배수)에서는 기존의 기체 클러스터만 확장되며, 이는 포화 개구부의 크기에 제약을 받기 때문에 더 작은 곡률 반경과 높은 매트릭 수두를 유도한다.
• 3차원 모델에서는 단일 캐비티 내에 단일 기체 클러스터가 형성되는 것은 S_r ≈ 100%에서만 발생하며, 그마저도 주입 및 배수 경로 간 상 분포가 다르게 나타난다.
• S_r = 99.7%에서 단일 기체 클러스터가 단일 캐비티에 존재할 경우, 주입 및 배수 과정의 수두 값이 일치하여 근본적으로 포화도가 거의 완전에 가까운 상태에서만 수렴함을 나타낸다.
• SWCC 히스테리시스의 주요 원인은 특정한 포화 구조나 경계 효과가 아니라, 포화 및 비포화 과정의 역학적 비대칭성에 기인한다.