다중 액적의 증기 차폐 효과와 증발 특성에 대한 정량적 분석 연구 :Quantitative Analysis of Vapor Shielding and Evaporation Characteristics of Multiple Droplets

이형주

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이형주 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 이성혁

발행연도: 2023

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

증발하는 다중 액적의 증기 차폐와 내부 유동 특성 연구

이형주 , 최창경 , 유홍선 외 1명 대한기계학회 춘추학술대회 2023.04 학술대회자료

다중 액적의 증기 차폐 효과와 증발 특성에 대한 정량적 분석 연구

이형주 기계공학과 2023.01 학위논문

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본 연구의 목적의 다중 액적의 증기 차폐 효과를 파악하고 증발량을 정확하게 예측하기 위해서 다중 액적 사이의 거리 변화를 고려한 모델을 제안하는 것이다. 그리고 이종 혼합물 액적에서 나타나는 선택적 증발을 고려한 다중 액적의 증발 거동 및 내부 유동을 분석한다. 이를 위해 표면플라즈몬 공명 가시화 장치를 이용하여 시간 변화에 따른 액적의 농도를 측정하였다. 액적의 내부유동을 파악하기 위해서 입자영상유속계 장치를 구축하였으며, 다중 액적의 인접한 거리와 혼합물 농도에 따른 유동 특성을 분석하였다. 또한, 액적 주변의 증기와 증발 유속 분포를 파악하기 위해서 3차원 수치해석을 수행하였다.
우선, 단일 성분을 이용한 다중 액적에서 증기 차폐 효과가 나타나는 것을 확인하였으며, 액적의 인접한 거리가 증가함에 따라 증발률은 감소하게 된다. 단일 액적과 다중 액적 모두 피닝-디피닝 되는 접촉선 거동을 보이며, 다중 액적에서 피닝 상태가 더 오래 지속되었다. 또한, 단일 액적의 경우 액적의 중심부에서 접촉선으로 이동하는 유동이 나타난다. 하지만, 다중 액적의 경우 불균일한 증발 유속 분포로 인해 측면에 위치한 액적의 경우 액적과 인접하지 않은 방향으로 유체가 주로 이동한다. 이종혼합물 액적에서도 단일 액적과 다중 액적의 접촉선 거동은 유사한 형태를 보이지만, 액적의 내부유동은 국부적인 농도 변화로 인해 상이하게 나타난다. 다음으로 본 연구에서는 액적의 증기 분포를 고려한 다중 액적의 증발률 예측 모델을 제시하였다. 수치해석 결과로부터 단일 성분 액적의 증기 분포를 도출하였으며, 이를 무차원화하여 다중 액적의 증기 차폐 현상을 고려하였다. 제시된 모델은 단일 성분과 이종혼합물을 이용한 다중 액적의 실험 결과와 잘 일치하였으며, 최대 오차는 단일 성분은 약 5.4% 이종혼합물은 약 13.4%로 타당한 결과를 나타냈다.

The evaporation of the multiple droplets has distinctive characteristics of vapor accumulation affecting the local evaporation flux and internal flow fields of the droplet. In particular, the binary mixture droplet (BMD) shows selective evaporation causing the complex internal flow field and contact line motions. Hence, the present thesis investigates the evaporation characteristics of multiple droplets, considering the droplet-to-droplet distance and the liquid concentration of the droplets. Particle image velocimetry (PIV) is applied to visualize the internal flow of the evaporating droplets. The mixture concentration is measured using surface plasmon resonance imaging (SPRi). Moreover, the vapor distribution and local evaporation flux are analyzed through numerical simulations under the quasi-steady state assumptions.
The results show that the droplet adjacency delays the evaporation time of multiple droplets (single component) compared to the single droplet due to the vapor shielding effect. The contact line motions of droplets (single component) show pinning-depinning motion for both single and multiple droplets. The water vapor of the single droplet diffuses from the liquid-air interface to the ambient showing the axisymmetric distributions. For the multiple droplets, the vapor accumulation appears at the adjacent region suppressing the local evaporation flux dramatically. For the multiple-binary mixture droplets (M-BMDs), the evaporation time increases significantly compared to the single BMD. Also, the internal flow fields of M-BMDs show different flow patterns, with the single BMD representing the two large vortices at the side droplets. These flow patterns are significantly affected by the surface tension gradient. The temporal local ethanol concentration is analyzed to compare the surface tension gradient during evaporation.
Moreover, The evaporation rate model for the multiple droplets (single component) is proposed considering the non-uniform distribution of vapor. This model could estimate the evaporation rate for both center and side droplets showing accurate results. In particular, the scaled lifetime from the present model shows a good agreement with the experimental data for both single-component and binary mixture droplets.

#Multiple droplets #Droplet evaporation #Vapor shielding #Evaporation rate model #Contact line dynamics #Surface plasmon resonance imaging

1. INTRODUCTION 1
1.1 Background 1
1.2 Literature Survey 5
1.3 Objectives and Scope 12
2. FUNDAMENTALS 14
2.1 Evaporation rate models 14
2.2 Vapor shielding effect of multiple droplets 20
3. METHODS 24
3.1 Experimental Set-up 24
3.1.1 Surface plasmon resonance imaging 24
3.1.2 Particle image velocimetry 31
3.2 Measurement Technique 34
3.2.1 Reflectance calibration for concentration measurement 34
3.2.2 Particle image velocimetry analysis 40
3.2.3 Droplet Shape Measurement 43
3.3 Numerical methods 47
3.3.1 Mathematical representations 47
3.3.2 Geometry and numerical conditions 51
4. EVAPORATION OF MULTIPLE DROPLETS 53
4.1 Contact line behavior and internal flow field 53
4.2 Vapor and local evaporation flux distributions 62
4.3 Modeling of the evaporation rate of multiple droplets 69
5. CHARACTERISTICS OF EVAPORATING M-BMDS 76
5.1 Contact line motions of M-BMDs 76
5.2 Local ethanol concentration distribution 82
5.3 Internal flow tnansitions 90
5.4 Comparison of the evaporation rate model 97
6. CONCLUSIONS 104
7. REFERENCES 107
국문초록 116

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