[논문 리뷰] Numerical Analysis of Electroconvection Phenomena in Cross-flow

Yifei Guan, Igor Novosselov|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 28.

Lattice Boltzmann Simulation Studies인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 전기대류 소용권을 유도하는 수평 평행 전극 사이의 횡류에서 두 시간상수 Lattice Boltzmann 방법(Two-Relaxation-Time LBM)과 빠른 포아송 해소기를 사용하여 유동, 전기장 및 전하 밀도를 해석적으로 분석한다. 주요 발견은 횡류 속도가 증가함에 따라 임계 무차원 비율 Y(전기력과 점성력의 비율)를 초과할 경우 소용권이 억제됨을 보여주며, Y는 전기대류 지배 상태의 임계 매개변수로 기능한다.

ABSTRACT

Electroconvective phenomena in the presence of cross-flow between two parallel electrodes is investigated in a numerical study. The two-relaxation-time Lattice Boltzmann Method with fast Poisson solver solves for the spatiotemporal distribution of flow field, electric field, and charge density. Couette and Poiseuille cross-flows are applied to the solutions with electroconvective vortices. Increasing cross-flow velocity deforms the vortices and eventually suppresses them when threshold values of shear stress are reached. This behavior is parameterized by a non-dimensional parameter, Y, formulated as the ratio of the electrical force to the viscous force in the Navier-Stokes Equations. For high values of Y, the electric force dominates the flow, while for Y values below the critical threshold, the electric force influence on the flow is negligible and the flow is dominated by the shear.

연구 동기 및 목표

• 평행판 시스템에서 전기대류 소용권과 횡류 간의 상호작용을 이해하기 위해.
• 점진적인 비틀림 유동 조건에서 전기대류 소용권의 억제 정도를 정량화하기 위해.
• 전기력과 점성력의 균형을 특징짓는 무차원 매개변수 Y를 개발하기 위해.
• 커테이 유동과 푸아젤 률 유동을 별개의 유동 구형으로 간주하여 소용권 역학에 미치는 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 유동과 전하 이동을 시뮬레이션하기 위해 두 시간상수 Lattice Boltzmann 방법(TRT-LBM)를 사용한다.
• 전하 밀도 분포로부터 전기장을 계산하기 위해 빠른 포아송 해소기를 적용한다.
• 전기력에 기인한 소스 항을 포함한 나비에-스토크스 방정식을 해석하여 전기유체역학의 연성 모델링을 수행한다.
• 비틀림 유도 횡류 효과를 분석하기 위해 커테이 및 푸아젤 률 유동 프로파일을 모두 적용한다.
• 무차원 매개변수 Y를 나비에-스토크스 방정식 내 전기력과 점성력의 비율로 정의한다.
• 공간-시간적 시뮬레이션을 수행하여 다양한 횡류 속도에서 소용권의 변형 및 억제를 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 증가하는 횡류 속도가 전기대류 소용권의 형태와 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 전기대류 소용권을 억제하는 데 필요한 횡류 비틀림 응력의 임계값은 무엇인가?
• RQ3 전기력과 점성력의 비율을 나타내는 무차원 매개변수 Y는 소용권 억제의 시작을 어떻게 예측하는가?
• RQ4 커테이 및 푸아젤 률 횡류는 전기대류 시스템에서 소용권 역학에 어떻게 다르게 영향을 미치는가?
• RQ5 Y가 임계값을 초과할 경우 전기력이 흐름에서 얼마나 지배적인가?

주요 결과

• 전기대류 소용권은 횡류 속도가 증가함에 따라 점진적으로 변형된다.
• 횡류 비틀림 응력이 임계값에 도달하면 소용권은 궁극적으로 억제된다.
• 무차원 매개변수 Y는 전기대류 및 비틀림 지배 유동 영역 간의 전이를 효과적으로 특징짓는다.
• 높은 Y 값에서는 전기력이 흐름 역학을 지배하고 소용권을 유지한다.
• 임계 임계값 이하의 Y 값에서는 전기력이 흐름에 미치는 영향이 무시 가능해지고, 흐름은 점성 비틀림에 의해 지배된다.
• 소용권의 억제 현상은 커테이 및 푸아젤 률 횡류 구성 모두에서 일관되며, Y 매개변수의 강건성을 시사한다.