이것은 혼합물 유동인가 다상 유동인가, 구분이 가능할까?
네, 가능합니다. (포브스 선정 한국인이 좋아하는 글 전개 방식 1위)
결론부터 빠르게 말씀드렸는데요, 이번 포스팅에서는 혼합물(농도)과 다상이 무엇인지 학습하고, 우리 주변에 혼합물 유체와 다상 유체는 어떤 것들이 있는지 알아보도록 하겠습니다. 아울러 각 유체들에 대한 해석 접근법과 팁, 이론 등을 다양하게 알아보는 시간을 가지도록 하겠습니다. 마이다스와 함께 CFD 이론을 쑥쑥 성장 시킬 시간, 출발합니다
두 가지 유체는 어떻게 구분할까?
두 가지 유체의 공통점은 같은 유체가 섞여 있는 형태를 의미합니다. 유체는 흔히 물, 기름, 공기 등 특정한 형태를 유지하지 않는 물체를 이야기 합니다. 그렇다면 두 가지의 차이는 무엇일까요? 가장 큰 차이는 유체들 사이에 경계면(이하 계면)을 유지하는가 아닌가로 구분합니다.
물과 기름처럼 아무리 섞으려고 해도 어떠한 경우에는 계면이 분리가 되는 형태를 다상 유동이라고 합니다. 같은 상 내 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 이야기 합니다. 일반적으로 다양한 액체를 혼합하는 약액 탱크나, 터널 내 화재로 인한 공기, 질소산화물, 이산화탄소 등의 발생량, 분포 등에 대해서도 주로 해석을 수행합니다.
다상 유체의 정의
기체와 액체는 서로 잘 섞이지 않기 때문에 두 유체 사이에 경계면을 만들며 공존하며, 일반적으로 2 가지 해법으로 접근합니다. 기체와 액체의 거동으로 인한 힘에 의해 형태를 바꿉니다. 이 때 고려되는 힘은 유체력(압력 + 마찰력), 표면장력입니다. 특히 자유수면은 대게 중력이 작용하는 상황을 가정하므로 유체력은 중력에 의한 정수압(hydrostatic pressure)도 포함합니다.
그런데 많은 경우 기체의 밀도는 액체에 비해 아주 작습니다. (약 1/1,000) 따라서 기체가 자유 수면에 미치는 영향력도 액체에 비해 작습니다. 경계면의 형상을 결정하는 데 기체 유동의 기여도가 무시할 수 있을 만큼 작다고 여긴다면 레벨셋(Level Set) 기법을 사용할 수 있습니다. 레벨셋 기법은 액체의 거동만을 계산합니다. 다만 분율(fraction)을 함께 계산하여 액체가 존재하는 영역만 계산합니다. 계산되지 않은 곳은 기체 영역이고 레벨셋 기법의 관심 영역이 아닙니다.
이러한 기법의 적용도 임의의 과도 영역 두께에 따른 결과의 부정확성과 인터페이스에서 속도가 정확하게 계산되지 않는 등의 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 midas NFX CFD는 해석 영역을 부영역으로 분해하는 기법을 이용한 ODDLS (overlapping domain ecomposition level set) 기법을 제공한다.
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