류체속에서 큰 알갱이재료운동의 수치모의방법

 2021.8.19.

경애하는 김정은동지께서는 다음과 같이 말씀하시였다.

《과학기술을 확고히 앞세우고 과학기술과 생산을 밀착시키며 경제건설에서 제기되는 모든 문제들을 과학기술적으로 풀어나가는 기풍을 세워 나라의 경제발전을 과학기술적으로 확고히 담보하여야 합니다.》

류체속에서 mm범위의 크기를 가진 알갱이재료의 운동은 용광로, 소성로, 보이라, 반응로, 분무건조로 등 공업로와 알갱이재료의 관수송, 분쇄기, 분급기, 수지성형기, 류동층공정 등 많은 공업공정들에서 찾아볼수 있다. 그림. 1은 그러한 운동의 대표적실례로써 저장실(호빠)바닥중심의 미닫이를 열면 아래로 쏟아지는 알갱이재료의 쏟아짐운동연구를 위한 초기모형이다.

알갱이재료의 쏟아짐을 연구하기 위한 초기모형
그림. 1 알갱이재료의 쏟아짐을 연구하기 위한 초기모형

mm크기알갱이재료의 운동은 μm크기의 알갱이재료와 아주 다를수 있다. 한편 후자의 열 및 수송모형는 ANSYS FLUENT를 비롯한 흐름해석체계가 지원하지만 전자는 그렇지 못하다.

알갱이재료수송의 모형화방법은 오일레르-라그랑쥬방법과 오일레르-오일레르방법의 두가지로 분류할수 있다. 우리는 류체흐름속의 스톡스수가 큰 립자(mm급립자)들의 운동을 모형화하는 한가지 새로운 오일레르방법을 제안하였다.

우리의 방법은 오일레르방법과 라그랑쥬방법의 결합법에 속한다. 방법에서는 우선 알갱이흐름에 대한 일면적비압축성가정을 도입한다. 마찰점도는 Schaeffer 의 모형으로, 충돌점도는 류체의 분자점도에 대한 방법과 류사한 방법으로 모형화하며 한개 알갱이에 대한 라그랑쥬견지의 DiFelice모형을 오일레르견지에 맞게 확대한다. 오일레르방정식의 압력항을 라그랑쥬견지의 평활립자수력학(SPH)법으로 리산화한다.

일면적비압축성을 만족하는 리산화방정식을 한가지 무조건최량화문제에로 귀착시킨다.

최량화문제를 풀기 위한 그라디엔트법으로 고체압력마당을 계산한다. 연구의 효률성을 제고하기 위하여 다상류체흐름해석에서 ANSYS FLUENT를 기본해석자로 취하고 알갱이매질에 관한 우리의 방법은 리용자정의함수로 코드화하여 ANSYS FLUENT에 콤파일하였다.

모형의 유효성검증은 세가지 실험 및 라그랑쥬방법의 계산결과와의 비교를 통하여 진행하였다.

그 대표적실례는 그림. 1에서 소개한 호빠에서 알갱이재료의 쏟아짐에 대한 모의결과이다. (그림. 2)

호빠에서 알갱이무지의 쏟아짐에 대한 모의결과
그림. 2 호빠에서 알갱이무지의 쏟아짐에 대한 모의결과

이러한 연구결과들은 Elsevier출판사의 잡지 《International Journal of Multiphase Flow》(92 (2017) 140-149)에 《An Eulerian model for the motion of granular matStokes number in fluid flow》 (http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2017.03.009)라는 제목으로 출판되였다.