김민찬 교수 연구실
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·2024
Numerical study of infinitely fast chemical reaction-induced Kelvin–Helmholtz interfacial instability in a plane Poiseuille flow
Min Chan Kim, Joung Sook Hong
IF 4.3 (2024) Physics of Fluids
초록

무한히 빠른 이원자(이분자) 화학 반응(A + B → C)에 의해 유도되는 켈빈–헬름홀츠(K–H) 계면 불안정성(interfacial instability)을 수치적으로 연구하였다. 이는 채널 유동에서 경계층의 깊이와 반응 전선(reaction front)이 동시에 발달한다는 점을 고려함으로써 수행되었다. 한 반응물 유체(A)가 다른 반응물 유체(B)로 흐르는 경우, 더 점성이 큰 또는 덜 점성이 큰 생성물(C)의 생성은 반응 전선에서 점성도 구배(viscosity gradient)를 유발하여 서로 다른 유형의 불안정성 운동을 초래한다. 생성물과 비등점성(iso-viscous가 아님) 반응물 사이의 점성도 비(viscosity ratio)를 설명하는 데 사용되는 점성도 비의 로그(log) 재정의에 따라, RChem 및 RPhys에 의해 K–H 불안정성의 성장이 화학적으로 및 유체역학적으로 식별된다. 두 반응물에 비해 덜 점성이 큰 생성물의 경우에는 반응 전선에서 벽(wall) 근처를 따라 롤업(roll-up)이 동반된 불안정성이 발생하며, 즉 RChem&>0이고, 롤업의 수는 RChem이 증가할수록 증가한다. RChem&<0인 시스템에서는 불안정성의 성장이 크게 지연되며, 반응 전선을 따라 불완전한 롤업(빌로우, billows)이 나타난다. 이러한 불안정성 운동은 확산 흐름(diffusive flow) 효과의 복합적 기여에 의해 결정되는데, 이 효과는 와도(vorticity) 원천/흡착원(source/sink)을 비국소화(delocalize)시키고, 점성도 구배에 따라 국소화(localize)되는 와도(vorticity) 효과에 의해 좌우된다. 흥미롭게도 작은 Re에서는, 대신 경계층 내에서 벽 효과(wall effect)가 강하게 나타나 시스템이 불안정해지며, 반응 전선에서 벽 근처의 롤업이 적극적으로 성장하는 양상이 관찰된다. 벽은 입구(entrance) 영역에서의 불안정한 운동을 결정적으로 방해하여, 불안정성이 경계층 내로 국소화되며 δ∼xRe−1/2, 특히 양(+)의 RChem 시스템에서 그러하다. 본 연구는 경계층 두께가 불안정성 운동의 발달에 중요한 역할을 함을 시사한다. 이러한 벽 효과는 음(-)의 RChem 시스템에서는 두드러지지 않으며, 빌로우 유형(billow-type)의 불안정성 운동이 나타난다.

*본 초록은 AI를 통해 원문을 번역한 내용입니다. 정확한 내용은 하기 원문에서 확인해주세요.

키워드
PhysicsHagen–Poiseuille equationInstabilityMechanicsPlane (geometry)Flow (mathematics)Classical mechanicsGeometry
타입
Article
IF / 인용수
4.3 / 0
게재 연도
2024

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