슬러지 전단 흐름의 벽 미끄럼과 내부 이질성 탐구

초록

본 연구는 핵산업 폐기물 모사 슬러지를 10 % 고형물 부피비로 준비하고, 전단율 및 전단응력 제어 실험을 초음파 유동 영상과 결합된 레오미터로 수행하였다. 전단율을 낮출수록 균일한 전단 프로파일에서 전부가 정지한 플러그 상태와 전벽 전미끄럼으로 전이되며, 중간 전단율 구간에서는 슬립 속도의 강한 진동이 와류 방향으로 전파되는 진동 현상이 관찰된다. 전단응력을 수율에 가깝게 설정하면 전단율이 큰, 거의 주기적인 피크를 보이며, 이는 와류 방향으로 전파되는 국부적인 스틱‑슬립 사건과 연관된다. 이러한 복합 동역학은 고농도 현탁액에서 보고된 현상과 유사하지만, 고체 함량이 낮은 슬러지에서도 동일한 메커니즘이 작동함을 보여준다.

상세 분석

이 논문은 전통적인 레오미터만으로는 슬러지와 같은 불투명·다중분산 시스템의 흐름 특성을 완전히 파악하기 어렵다는 점을 강조한다. 저자들은 PMMA 재질의 작은 간격(2 mm) 동심원 실린더 셀에 슬러지를 넣고, 전단율(γ̇) 혹은 전단응력(σ)을 각각 제어하는 두 가지 실험 프로토콜을 설계하였다. 초음파 다채널 어레이(15 MHz, 128채널)를 이용해 실시간으로 r‑z 평면의 속도장을 획득하고, 이를 통해 벽면 근처 유속(v₁, v₂)과 슬립 비율(V_bob, V_cup)을 정량화하였다.

전단율 스위프 실험에서 슬러지는 고전적인 ‘유동‑정지’ 전이와는 달리, 전단율이 약 10 s⁻¹ 이하로 감소할 때 급격히 슬립이 증가하고, 전체 유동이 플러그 형태로 전이한다. 특히 5 s⁻¹~15 s⁻¹ 구간에서는 슬립 속도가 시간에 따라 강하게 변동하며, 이 변동이 와류(z) 방향으로 파동처럼 전파되는 현상이 포착되었다. 이는 전단면에서 발생한 국부적인 스틱‑슬립 이벤트가 인접한 영역으로 전이되는 ‘전파형 슬립 불안정성’으로 해석될 수 있다.

전단응력 제어 실험에서는 σ가 슬러지의 항복응력(σ_y) 근처에 있을 때 전단율이 급격히 변동하는 ‘펄스‑형’ 응답을 보인다. 초음파 영상은 이러한 펄스가 와류 방향으로 연속적인 스틱‑슬립 구역을 따라 이동함을 보여준다. 즉, 전단응력이 일정하게 유지되는 동안에도 내부 구조가 주기적으로 재배열되며, 이는 전단응력-전단율 곡선에 비선형적인 히스테리시스와 큰 변동성을 초래한다.

이러한 현상은 기존에 고농도(ϕ > 40 %) 입자 현탁액에서 보고된 ‘전단 밴드’·‘흐름 진동’과 유사하지만, 여기서는 고형물 부피비가 10 % 수준인 슬러지에서도 동일한 메커니즘이 작동함을 입증한다. 이는 입자 간 인력(고이온 강도 0.5 M)과 비브라운 입자의 크기·형태 다양성이 복합적으로 작용해, 전단에 대한 민감도가 크게 향상된 결과로 해석된다. 또한, 벽면 거칠기가 수 마이크론 수준임에도 불구하고 전벽 전미끄럼이 발생한다는 점은 슬러지 내부 구조가 벽면과의 접촉을 효과적으로 ‘유동성 감소층’으로 만든다는 의미이며, 전단 조건에 따라 이 층이 급격히 두꺼워지거나 얇아지는 동적 현상이 존재한다.

결론적으로, 슬러지 흐름은 (1) 전단율 감소에 따른 연속적인 슬립‑플러그 전이, (2) 중간 전단율 구간에서의 슬립 파동 전파, (3) 항복응력 근처에서의 전단율 펄스와 스틱‑슬립 전파라는 세 가지 핵심 메커니즘으로 설명될 수 있다. 이러한 복합 동역학을 정확히 파악하기 위해서는 전역 레오미터 데이터와 함께 고해상도 로컬 유동 측정이 필수적이며, 특히 초음파 영상은 불투명 슬러지의 내부 흐름을 비침습적으로 관찰할 수 있는 강력한 도구임을 재확인한다.