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친수성/소수성 복합표면상에서 초기 구형 액적의 이송 메커니즘
명현국(Hyon Kook Myong),권영후(Young Hoo Kwon) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.11
유체이송 기술은 마이크로 유체시스템 개발에서 핵심문제로 인식되고 있다. 최근 명(2014)은 외부동력을 사용하지 않고 액적을 이동시킬 수 있는 새로운 개념을 제안하고, 초기에 반원통형 형상을 가지는 가상의 2차원 액적에 대한 수치해석을 통해 이 개념이 성립함을 보였다. 또한 명과 권(2015)은 친수성/소수성 표면위에서 초기 3차원 반구 형상의 실제 물 액적이송의 메커니즘을 시간에 따른 액적형상과 액적 내부의 운동에너지, 중력에너지, 표면자유에너지 및 압력에너지의 수치해석 결과를 통해 규명하였다. 본 연구는 새로운 개념을 확립시키기 위해 초기 구형액적에 대한 3차원 수치해석을 수행하고, 액적이송의 메커니즘을 모세관력 힘의 불균형 관점에서 액적 형상과 다양한 에너지의 수치해석 결과를 통해 규명하였다. Fluid transport is a key issue in the development of microfluidic systems. Recently, Myong (2014) has proposed a new concept for droplet transport without external power sources, and numerically validated the results for a hypothetical 2D shape, initially having a hemicylindrical droplet shape. Myong and Kwon (2015) have also examined the transport mechanism for an actual water droplet, initially having a 3D hemispherical shape, on a horizontal hydrophilic/ hydrophobic surface, based on the numerical results of the time evolution of the droplet shape, as well as the total kinetic, gravitational, pressure and surface free energies inside the droplet. In this study, a 3D numerical analysis of an initially spherical droplet is carried out to establish a new concept for droplet transport. Further, the transport mechanism of an actual water droplet is examined in detail from the viewpoint of the capillarity force imbalance through the numerical results of droplet shape and various energies inside the droplet.
다양한 조건하에서 모세관력 불균형에 의해 구동되는 수평 표면 위의 액적 거동
명현국(Hyon Kook Myong),권영후(Young Hoo Kwon) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.4
본 연구는 다양한 조건하에서 모세관력 불균형에 의해 구동되는 수평 표면 위의 액적 거동을 수치해석적으로 연구한 것이다. 액적 거동은 자체개발 코드(PowerCFD)를 사용하여 수치해석하였다. 수치해석에 사용된 코드는 보존적인 압력기반 유한체적방법에 기초한 비정렬 셀 중심 방법 및 VOF 방법에 체적포착법인 CICSAM을 채용하고 있다. 상세한 액적 거동이 다양한 초기 액적형상, 접촉각 및 표면장력(또는 Bond 수)의 조건하에서 얻어졌다. 또한 액적 이송 메커니즘이 액적 형상에 대한 수치해석 결과로부터 검토되었다. The present study aims to numerically investigate the behavior of liquid droplet driven by capillarity force imbalance on horizontal surfaces ranging from hydrophilic to hydrophobic, under various conditions. The droplet behavior has been simulated using an in-house solution code(PowerCFD), which employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with interface capturing method(CICSAM) in a volume of fluid(VOF) scheme for phase interface capturing. The detailed droplet behavior was obtained under various conditions for droplets with different initial shapes, contact angles and surface tension forces(or Bond number). The mechanism of droplet transport was examined using the numerical results on the droplet shapes.
친수성/소수성 표면상에서 초기 반구형 액적의 움직임에 관한 수치해석
명현국(Hyon Kook Myong),권영후(Young Hoo Kwon) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.5
유체이송 기술은 마이크로 유체시스템 개발에서 핵심문제로 인식되고 있다. 최근 명(2014)은 외부동력을 사용하지 않고 액적을 이동시킬 수 있는 새로운 개념을 제안하고, 초기에 반원통형 형상을 가지는 가상의 2차원 액적에 대한 수치해석을 통해 이 개념이 성립함을 보였다. 본 논문에서는 친수성/소수성 표면위에서 초기 3차원 반구형상의 실제 물 액적이 가지는 움직임을 상용소프트웨어 Fluent의 VOF 방법을 사용하여 수치해석하였다. 해석결과는 명(2014)의 2차원 수치해석 결과와 비교하였으며, 또한 물액적이송의 메커니즘을 시간에 따른 액적형상과 액적 내부의 운동에너지, 중력에너지, 표면자유에너지 및 압력에너지의 수치해석 결과를 통해 규명하였다. Fluid transport is a key issue in the development of microfluidic systems. Recently, Myong (2014) has proposed a new concept for droplet transport without external power sources and numerically validated the results for a hypothetical 2D, initially having a hemicylindrical droplet. In this paper, the movement of an actual water droplet, initially having a 3D hemispherical shape, on horizontal hydrophilic/ hydrophobic surfaces is simulated using a commercial computational fluid dynamics (CFD) package, Fluent, with VOF (volume of fluid) method. The results are compared with the 2D analysis of Myong (2014), and the transport mechanism for the actual water droplet is examined based on the numerical results of the time evolution of the droplet shape, as well as the total kinetic, gravitational, surface free and pressure energies inside the droplet.