오늘 다뤄볼 주제는 구조물 내부의 "다상유동"에 대한 것입니다. 실생활에서는 다양한 유체가 존재하고, 물에 잉크를 섞는 형태의 혼합 유동에 대한 것들도 많이 볼 수 있지만, 그림과 같이 공기와 물이 섞이지 않고 경계면을 유지하면서 흐르는 현상도 볼 수 있습니다. 계면에서의 빛의 굴절로 흐름 자체를 눈으로 보기도 합니다.
혈당 측정기나 세면대와 같은 구조물에는 초기에는 공기가 가득 차 있는, 우리가 인식하기에는 빈 공간이 존재하고 있습니다. 물과 혈액과 같은 액체가 주입됨에 따라 기존의 공기를 밀어내고 유체가 차오르는 현상을 쉽게 확인해볼 수 있습니다.
혼합물 유동과 다상 유동은 어떤 것일까요?
두 가지 유체의 공통점은 같은 유체가 섞여 있는 형태를 의미합니다. 유체는 흔히 물, 기름, 공기 등 특정한 형태를 유지하지 않는 물체를 이야기합니다. 그렇다면 두 가지의 차이는 무엇일까요? 가장 큰 차이는 유체들 사이에 경계면(이하 계면)을 유지하는가, 유지하지 않는가로 구분합니다.
물과 기름처럼 아무리 섞으려고 해도 어떠한 경우에는 계면이 분리가 되는 형태를 다상 유동이라고 합니다. 같은 상내 계면을 유지하는 형태나, 액체와 기체 사이에 서로 다른 상에서 유지되는 계면을 추적하면서 해석을 수행하며, 이송, 지진에 대한 LNG 탱크, 수조 내부의 유체 계면의 변화나 수면의 변화를 추적하는 등 다양한 해석에 사용됩니다.
그렇다면, 혼합물은 어떨까요? 일반적으로 물과 잉크와 같이 같은 상의 유체에서 계면을 유지하지 않고 밀도 차에 의해서 움직임이 결정되는 것을 이야이가힙니다. 일반적으로 다양한 액체를 혼합하는 약액 탱크나, 터널 내 화재로 인한 공기, 질소산화물, 이산화탄소 등의 발생량, 분포 등에 대해서도 주로 해석을 수행합니다.
다상 유동을 활용한 액체 주입 해석에서 고려 사항은 어떤 것인가요?
다상유동은 계면으로 분리된 2개의 유체가 필요하며, 액체주입해석에서는 공기와 물로 가정하여 접근합니다. 대상의 용도에 따라서는 점도가 높은 혈액과 공기가 될 수 있고, 다양한 유체에 대해서 가정해볼 수 있습니다. 보편적으로는 밀도 차이가 큰 두 개의 유체를 가정하게 되고, 액체와 기체로 적용되는 것이 많습니다.
최초 유체 도메인에 존재하는 유체가 무엇인지, 주입되는 유체의 분율은 어떤지 등의 조건 가정이 필요하며, 높이에 따른 정수압 조건 등 실제 현상에 맞춰 조건에 대상 모사가 필요합니다. 이때, 1,000배 이상의 밀도 차이가 크게 발생하는 대상에서는 효율적인 계산을 위해 Level set 기법을, 상세 계산이 필요한 경우 V.O.F 기법을 활용하여 계산에 사용합니다.
이번 예제는 공기로 가득한 약액 주입틀 내부에 물이 0.1m/s로 주입되고, 정수압을 받는 상태를 가정한 모델입니다. 주입 후 타겟 위치에 몇 초에 도달하는지, 모든 공기가 제거되기까지 어느 정도의 시간이 소요되는지 등을 타겟으로 보고 다상유동해석에 대해 진행합니다.
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