전단된 불포화 입자 매질에서의 액체 이동 메커니즘

초록

전단에 의해 파단된 모세관 다리의 액체가 인접 접촉점으로 재분배되는 과정을 입자 수준 모델로 구현하였다
이러한 미시적 재분배가 거시적 액체 프로파일 변화를 일으키며 기존 연속체 이론과 일치함을 확인하였다
습윤 및 건조 입자군의 속도와 밀도 분포를 비교 분석하였다

상세 분석

본 연구는 전단이 가해진 불포화 입자 매질 내부에서 모세관 다리의 파단과 재분배 메커니즘을 정량적으로 규명하고자 하였다
입자 간 접촉점에 형성되는 모세관 다리는 일정한 액체량을 유지하지만 전단에 의해 거리와 각도가 변하면서 다리 파단이 발생한다
파단 직후 다리 내 액체는 인접한 두 접촉점으로 분할 전송되며 이 과정은 입자 규모 시뮬레이션을 통해 구현되었다
시뮬레이션에서는 각 입자 쌍에 대한 접촉력, 파단 임계 거리, 액체 전송 비율을 물리적으로 타당한 파라미터로 설정하였다
전단 속도가 증가하면 파단 빈도가 높아져 액체가 빠르게 주변으로 확산되는 경향을 보였다
이러한 미시적 액체 이동은 전단 밴드 내부에서 액체 농도가 낮아지고 주변 영역으로 농도가 상승하는 전형적인 프로파일을 형성한다
연속체 모델에서 제시된 확산‑전단 결합 방정식과 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 두 접근법이 동일한 확산 계수를 예측함을 확인하였다
또한, 습윤 입자와 건조 입자 사이의 밀도 차이가 전단에 따른 체적 변형에 영향을 미쳐 속도 구배와 연동되는 것을 관찰하였다
특히, 습윤 입자군은 액체 재분배에 의해 국부적인 부피 팽창을 겪으며 전단 밴드 경계에서 비대칭적인 속도 프로파일을 나타냈다
이와 대조적으로 건조 입자군은 전단에 의해 거의 변형이 없으며 속도 프로파일이 선형에 가깝게 유지되었다
결과적으로, 모세관 다리 파단과 액체 재분배가 전단에 의한 미세 구조 변화를 매개하고, 이는 거시적 흐름 및 밀도 분포에 직접적인 영향을 미친다는 점을 입증하였다