격자볼츠만 모델을 이용한 끓음 열전달 연구와 습윤성 효과

초록

본 논문은 개선된 의사잠재력(LB) 접근법을 기반으로 한 하이브리드 열격자볼츠만 모델을 제시한다. 스퍼리어스 포스 항을 제거하여 액-증기 상변화를 정확히 시뮬레이션하고, 끓음 곡선과 3단계(핵생기, 전이, 필름) 끓음을 최초로 재현한다. 또한 표면 접촉각이 끓음 시작, 임계 열유속, 필름 끓음 전이 온도에 미치는 영향을 실험과 일치하게 분석한다.

상세 요약

이 연구는 기존 열격자볼츠만(LB) 모델이 강제항(force term)으로 인해 발생하는 비물리적 스퍼리어스 항을 포함하는 문제점을 해결하고자, Li·Luo·Li(2013)의 개선된 의사잠재력(pseudopotential) 모델을 기반으로 하이브리드 열LB 프레임워크를 구축하였다. 핵심은 온도장과 밀도장을 별도로 진화시키면서, 열전달 방정식에 강제항을 직접 삽입하지 않고 에너지 보존 형태로 결합함으로써 수치적 인공 열원이나 열손실을 최소화한다는 점이다. 모델 검증을 위해 무중력 조건 하에서 액-증기 상변화가 일어나는 끓음 현상을 시뮬레이션했으며, 벽면 초과열(ΔT)와 평균 열유속(q) 사이의 관계를 끓음 곡선 형태로 재현하였다. 특히, 핵생기(NB) 구간에서 q가 ΔT에 비례적으로 증가하고, 전이(TB) 구간에서는 q가 급격히 변동하며, 최대 열전달계수(h)와 최대 열유속(q_max)이 서로 다른 ΔT에서 발생한다는 실험적 특성을 정확히 포착했다. 이는 전이 구간에서 발생하는 불안정한 인터페이스와 기포 동역학이 모델에 내재된 물리적 메커니즘을 통해 자연스럽게 나타난 결과이다.

표면 습윤성 효과에 대한 조사에서는 접촉각을 조절하는 가상 표면 장력을 도입하여, 친수성(θ≈30°)에서 소수성(θ≈110°)까지 다양한 조건을 시뮬레이션하였다. 결과는 접촉각이 증가할수록 기포 발생이 용이해져 핵생기 온도가 낮아지는 반면, 기포가 빠르게 성장·합쳐져 필름 형성이 촉진되어 임계 열유속(Critical Heat Flux, CHF)이 감소한다는 것을 보여준다. 또한, 소수성 표면에서는 필름 끓음 전이가 낮은 초과열에서 시작되어 전체 끓음 곡선이 좌측으로 이동한다. 이러한 현상은 실험적 관찰과 일치하며, 모델이 표면 물성 변화에 대한 민감도를 충분히 반영함을 의미한다.

수치적 안정성 측면에서는 고체-액체-증기 삼상 경계에서 발생하는 높은 밀도·온도 구배에도 불구하고, 격자볼츠만의 충돌 연산과 포스-에너지 결합 방식이 비정상적인 압력 진동을 억제한다. 시간 스케일링을 통해 비정상적인 열플럭스 진동을 최소화하고, 충분히 긴 시뮬레이션 시간(수천 스텝) 동안 평균 열전달 특성을 수렴시켰다. 전체적으로, 이 논문은 열LB 모델의 물리적 정확성과 수치적 견고성을 동시에 확보하면서, 복잡한 끓음 현상을 정량적으로 예측할 수 있는 강력한 도구를 제공한다는 점에서 학문적·공학적 의미가 크다.