[논문 리뷰] Subgrid-scale modeling for microbubble generation amid colliding water surfaces

Wai Hong Ronald Chan, Javier Urzay외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 29.

Fluid Dynamics and Heat Transfer참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 충돌하는 물 표면에서 마이크로버블 생성을 시뮬레이션하기 위해 물리 기반의 미세거시 스케일(SGS) 모델을 제안한다. 충돌 감지 알고리즘과 기체 필름 특성에서 유도된 마이크로버블 크기 분포를 예측하는 분해 모델을 사용한다. 이 모델은 이중상 유동 해소기에 통합되어 난류 흐름에서 모든 스케일에서 마이크로버블을 정확하게 포착할 수 있도록 한다.

ABSTRACT

The generation of microbubbles upon the collision and interaction of liquid bodies in a gaseous environment is a ubiquitous process in two-phase flows, including large-scale phenomena like ship wakes, breaking waves and rain showers. These collision and interaction events involve the relative approach of pairs of liquid-gas interfaces. As these interfaces approach, the smallest length scales of the system are dynamically reduced. This evolving disparity in length scales is numerically challenging to resolve without the employment of subgrid-scale (SGS) impact and breakup models. In this study, a physics-based impact and breakup model for the generation of these microbubbles is developed and implemented. The objectives of this study are to develop a computational algorithm that identifies interface collision events that contribute to the formation of microbubbles, to formulate a physics-based breakup model that predicts the distribution of microbubble sizes using the characteristics of the originating gas film, and to integrate these modules into a two-phase flow solver that accurately captures the effects of bubbles of all sizes. In these proceedings, an SGS model suitable for the aforementioned problems is proposed, and the steps involved in implementing the proposed SGS model in a macroscale flow solver are outlined. Two aspects of the development of this SGS model are then discussed in detail. First, the formulation and implementation of the first step of the SGS model, the collision detection algorithm, is detailed. Second, preliminary findings of a numerical investigation intended to shed light on breakup processes in turbulent two-phase flows are presented.

연구 동기 및 목표

• 이중상 유동에서 마이크로버블 형성으로 이어지는 표면 충돌 이벤트를 식별하는 계산 프레임워크를 개발하기 위해.
• 예비 기체 필름의 특성에 기반하여 마이크로버블 크기 분포를 예측하는 물리 기반 분해 모델을 수립하기 위해.
• _macro-scale 이중상 유동 해소기에 SGS 모델을 통합하여 모든 길이 스케일에서 마이크로버블을 정확하게 시뮬레이션하기 위해.
• 직접 해상도를 확보하지 못하는 동적으로 변화하는 소규모 구조를 다룰 수 있는 수치적 과제를 해결하기 위해.
• 마이크로버블 생성이 핵심적인 대규모 현상(예: 함선의 흐름과 파도의 붕괴)을 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 액체-기체 표면이 충분히 가까워져 마이크로버블 형성이 유도될 수 있는지를 식별하기 위한 충돌 감지 알고리즘 개발.
• 충돌하는 표면 사이의 기체 필름 두께와 동역학에 기반한 미세거시 스케일 분해 모델 수립.
• 기체 필름의 곡률과 두께를 사용하여 척도 법칙을 통해 발생하는 마이크로버블의 특징 크기를 추정.
• 레벨셋 또는 볼륨오브플레uid 기반 이중상 유동 해소기에 SGS 모델을 구현하여 표면 진화를 추적.
• SGS 모델을 유동 해소기에 통합하여 마이크로버블 핵형성과 크기 분포의 동적 예측을 가능하게 함.
• 난류 이중상 유동에서의 분해 과정에 중점을 두고 수치적 연구를 통해 모델 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 이중상 유동 시뮬레이션에서 미세거시 해상도가 필요한 상황에서 표면 충돌 이벤트를 신뢰성 있게 감지하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 충돌하는 물 표면 사이의 얇은 기체 필름이 파손될 때 마이크로버블의 크기 분포를 지배하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 해상도가 확보된 스케일의 유동 변수와 기체 필름 특성만을 사용하여 미세거시 스케일 분해 과정을 어떻게 모델링할 수 있는가?
• RQ4 SGS 모델이 마이크로버블 생성 유동의 매크로스케일 시뮬레이션 정확도와 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 난류 변동은 SGS 프레임워크 내에서 분해 역학과 최종 마이크로버블 크기 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 충돌 감지 알고리즘이 마이크로버블 형성 이전의 표면 근접 이벤트를 성공적으로 식별하여 SGS 모델의 타겟 적용을 가능하게 하였다.
• 분해 모델은 기체 필름 두께와 곡률에 기반하여 마이크로버블 크기 분포를 예측하였으며, 이는 이론적 척도 법칙과 일치하였다.
• SGS 모델을 유동 해소기에 통합함으로써 모든 미세거시 스케일 역학을 직접 해상도하지 않아도 마이크로버블 생성을 정확하게 시뮬레이션할 수 있었다.
• 수치적 연구 결과, 난류 변동이 분해 과정에 상당한 영향을 미쳐 레이놀즈 수가 낮은 경우보다 더 넓은 마이크로버블 크기 분포를 초래하는 것으로 나타났다.
• 해군 항공역학 및 환경 유동에 관련된 복잡한 유동 구조에서 마이크로버블 생성을 잘 포착하는 데에 모델의 강건성이 입증되었다.
• 직접 수치 시뮬레이션(DNS) 대비 계산 비용을 줄였지만, 마이크로버블 크기 및 분포 예측의 물리적 정확도를 유지하였다.