[논문 리뷰] Lattice Boltzmann methods for single-phase and solid-liquid phase-change heat transfer in porous media: A review

Yaling He, Qing Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Lattice Boltzmann Simulation Studies인용 수 9

한 줄 요약

이 리뷰는 다공성 매체에서 미세구조 및 대표 요소 부피(REV) 척도에서 단상 및 고체-액체 상변화 열전달을 시뮬레이션하기 위한 격자볼츠만(LB) 방법을 제시한다. LB 방법의 운동학적 기반과 복잡한 경계를 다룰 수 있는 능력을 활용하여, 일시적 인터페이스 역학과 효과적 열전도도를 정확하게 모델링할 수 있으며, 다상 및 다스케일 열전달 문제에 대한 강력한 수치 도구를 제공한다.

ABSTRACT

Since its introduction 30 years ago, the lattice Boltzmann (LB) method has achieved great success in simulating fluid flows and modeling physics in fluids. Owing to its kinetic nature, the LB method has the capability to incorporate the essential microscopic or mesoscopic physics, and it is particularly successful in modeling transport phenomena involving complex boundaries and interfacial dynamics. The LB method can be considered to be an efficient numerical tool for fluid flow and heat transfer in porous media. Moreover, since the LB method is inherently transient, it is especially useful for investigating transient solid-liquid phase-change processes wherein the interfacial behaviors are very important. In this article, a comprehensive review of the LB methods for single-phase and solid-liquid phase-change heat transfer in porous media at both the pore scale and representative elementary volume (REV) scale. The review first introduces the fundamentals of the LB method for fluid flow and heat transfer. Then the REV-scale LB method for fluid flow and single-phase heat transfer in porous media, and the LB method for solid-liquid phase-change heat transfer, are described. Some applications of the LB methods for single-phase and solid-liquid phase-change heat transfer in porous media are provided. In addition, applications of the LB method to predict effective thermal conductivity of porous materials are also provided. Finally, further developments of the LB method in the related areas are discussed.

연구 동기 및 목표

• 다공성 매체에서 유동 및 열전달을 위한 격자볼츠만(LB) 방법에 대한 종합적인 리뷰를 제공하는 것.
• 단상 및 고체-액체 상변화 과정에 대해 미세구조 척도와 REV 척도에서 LB 방법의 응용을 검토하는 것.
• LB 방법이 상변화 중 복잡한 인터페이스 역학과 일시적 거동을 어떻게 포착할 수 있는지 분석하는 것.
• 다공성 재료에서 효과적 열전도도를 예측하기 위해 LB 방법을 평가하는 것.
• 다공성 매체에서 고도의 열전달 응용 분야로의 LB 방법 확장에 있어 핵심 과제와 향후 연구 방향을 규명하는 것.

제안 방법

• 운동학 이론에 기반한 유동 및 열전달을 위한 기본 LB 수식을 통합하여 서술한다.
• 효율적 매질 근사법을 사용하여 다공성 매체에서 단상 유동 및 열전달에 대해 REV 척도에서 LB 방법을 적용하는 방법을 상세히 기술한다.
• 잠열 기반 접근법을 도입하여 고체-액체 상변화를 모델링하고, 분포 함수를 통해 상전이 경계의 진화를 추적한다.
• 적절한 경계 조건과 리듬 파rameter를 통합하여 복잡한 기하구조와 이동 경계를 다룰 수 있도록 LB 스킴을 확장한다.
• 정상 상태 조건에서 LB 시뮬레이션을 통해 효과적 열전도도를 예측하고, 결과를 분석적 및 경험적 모델과 비교한다.
• 기준 사례를 통한 검증과 대표적인 다공성 구조에의 적용을 통해 정확성과 효율성을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 복잡한 경계를 가진 다공성 매체에서 격자볼츠만 방법이 일시적 열전달 및 상변화를 어떻게 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 미세구조 척도에서 LB 방법을 사용해 고체-액체 상변화를 모델링할 때 발생하는 주요 수치적 및 물리적 과제는 무엇인가?
• RQ3 다공성 재료에서 효과적 열전도도에 대해 LB 시뮬레이션이 분석적 해와 실험 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 격자볼츠만 방법이 복잡한 인터페이스 역학과 비정규 기하구조를 다룰 때 전통적인 유한차분 또는 유한부피 방법보다 어떤 방식으로 뛰어난 성능을 보이는가?
• RQ5 다상, 다성분 및 비정온 유동을 포함한 다공성 매체에서의 LB 방법 확장에 있어 제한 사항과 열린 과제는 무엇인가?

주요 결과

• 격자볼츠만 방법은 이동 경계를 정확히 해석할 수 있는 내재적 시간 적재 특성 덕분에 다공성 매체에서 일시적 상변화 역학을 효과적으로 포착한다.
• REV 척도에서의 LB 시뮬레이션은 이론적 및 실험적 기준과 잘 일치하는 정확한 효과적 열전도도 예측을 제공한다.
• 잠열 기반 LB 접근법은 복잡한 다공성 구조에서도 양호한 안정성과 수렴성을 보이며 고체-액체 상전이를 성공적으로 모델링한다.
• 전통적인 오일러 기반 해석기법 대비 비정규 경계와 복잡한 미세구조를 다룰 때 본 방법이 뛰어난 성능을 보인다.
• 대규모 시뮬레이션에서 정확성과 효율성을 향상시키기 위해 향상된 열 리듬 모델과 적응형 격자 전략이 필요하다는 점이 규명되었다.
• LB 프레임워크는 다양한 길이 및 시간 척도에서 다공성 매체의 열전달을 연구하는 데 있어 다재다능하고 확장 가능한 도구로 입증되었다.