오늘 다뤄볼 주제는 다상유동을 통한 '에어커튼 효과'에 대한 것입니다.
종종 문을 열고 백화점이나 건물에 들어갈 때 갑작스럽게 강한 바람이 내려오는 경험을 할 수 있습니다. 강한 하강기류의 공기를 만들어 내부와 외부의 공기 유입을 최소화하는 방식으로 '에어커튼 효과'라고 이야기 합니다.
액체, 기체 형태의 유체들은 형태가 정해져 있지 않기 때문에 벽면을 타고 움직이거나, 주변 기류에 편승하여 움직이게 됩니다. 이번 예제에서는 기체와 액체의 계면이 형성된 상태에서 액체의 흐름 변화를 확인하기 위해 다상유동으로 접근합니다.
다상유동해석을 사용하는 이유는 무엇일까요?
유동해석은 일반적으로 하나의 유체를 가정하여 진행하지만, 여러 유체가 존재하는 경우 그 상호작용을 분석해야 할 필요가 있습니다. 이때 유체 간의 계면을 유지하는지 여부에 따라 다상(Multi-Phase) 유동과 혼합물(Mixture) 유동으로 나뉩니다.
다상유동에서는 유체 간의 계면을 유지하는 것이 핵심이며, 이를 구현하기 위해 Level Set 기법과 V.O.F(Volume Of Fluid, 이하 V.O.F) 기법이 주로 사용됩니다.
Level Set 기법은 두 유체의 밀도 차이가 매우 큰 경우에 적합합니다. 특히, 액체와 기체처럼 밀도 차이가 1,000배 이상 나는 상황에서는 밀도가 낮은 기체를 계산에서 제외함으로써 해석 효율성을 높일 수 있습니다. 이 기법은 시간적 리소스를 줄이는데 효과적이며, 주로 일반적인 액체와 기체 상태의 해석에서 활용됩니다.
반면, V.O.F 기법은 두 유체의 재료 물성을 고려하여 계면을 계산하는 방식으로, 밀도 차이가 크지 않은 경우에 적합하며, 물과 기름처럼 밀도 차이가 작거나, 기체의 속도장까지 고려해야 하는 정밀한 해석에서는 V.O.F 기법이 필수적입니다. 따라서, 필요성과 효율성을 바탕으로 각각의 기법을 적절하게 선택하고 해석에 적용하는 것이 중요합니다.
에어커튼 효과를 고려한 다상해석에서 고려해야 할 사항은 어떤 것인가요?
에어커튼 효과를 고려하기 위해서는 기체의 흐름이 안정화되는 것이 중요합니다. 일반적으로 백화점이나 건물 입구에서 사용하는 크로스플로우팬 기반의 에어커튼은 기체 흐름을 제어하여 강한 하강기류를 생성합니다. 이 기류는 동력원에 의해 형성되며, 외부와 내부의 공기를 혼합하여 이동시키는 방식으로 설계됩니다.
그러나 액체와 기체가 만나는 계면을 형성하기 위한 에어커튼의 경우, 밀도가 약 1,000배 차이 나는 두 유체의 상호작용을 고려해야 하므로 예측이 훨씬 어렵습니다. 이 과정에서는 다양한 설계안의 변경이 요구되며, 주요 흐름은 밀도가 큰 액체의 움직임에 따라 형성됩니다. 기체는 동력원에 의해 주입되지만, 주로 액체 흐름에 편승해 계면을 형성하게 됩니다.
이러한 상황에서 기체는 액체의 움직임을 안정화시키는 역할을 할 수 있습니다. 단순히 액체만 존재할 경우, Fluaction 현상이 발생해 흐름이 불안정할 수 있지만, 기체에 의해 하나의 코팅막처럼 작용하면 안정된 액체 흐름을 유도할 수 있습니다. 이러한 특성을 활용해 설계 시 에어커튼 효과를 죄적화할 수 있습니다.
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