回轉搖動하는 圓筒內의 流動 및 攪拌特性
저자
발행사항
부산: 동아대학교 대학원, 1998
학위논문사항
학위논문(박사)-- 동아대학교 대학원 : 기계공학과 1998
발행연도
1998
작성언어
한국어
주제어
DDC
621
발행국(도시)
대한민국
형태사항
153 p.: 삽도; 27 cm
소장기관
생체배양의 초기단계에서, 비커 내에 세포조직과 배양액을 주입하여 회전요동 운동시킴에 따라 각 세포에 적절한 영양 및 산소공급이 이루어지도록 함으로써 조직이 원활이 성장하도록 하는 일은 생체기술에서 매우 중요한 단계이다. 그러나, 이러한 범용적 가치성에도 불구하고 이에 대한 유체역학적 기초연구는 전무하다. 본 연구는 비커를 원통으로 모형화 하여 그 내에 임의의 뉴턴 유체가 자유표면을 가지고 있는 상태에서 원통이 회전요동 운동하는 경우의 비정상 유체운동을 해석적, 수치적, 및 실험적으로 연구한 것이다. 유체유동의 해석적 해는 원통의 운동진폭이 그렇게 크지 않고 또한 진동 각속도가 공진 각속도보다 충분히 작을 때에 한하여 가능하다. 이 조건은 결과적으로 원통 내 액체의 액면변동이 액체깊이에 비하여 충분히 작은 경우에 해당한다. 그러나 실제의 사용조건은 대부분의 경우 이 조건을 만족하므로 본 해석적 연구성과는 그 실용성이 높다고 판단된다. 원통의 진동 진폭 대 원통반경을 매개변수로 하는 섭동법을 사용하여 지배방정식을 선형화시켰다. 내부의 비정상유동은 포텐셜유동이 되었고, 유체입자는 축직각 단면 상에서는 순환궤적을 그린다. 그리고, 이 유동은 축단면 상에서는 정지파의 양상을, 원주방향으로는 진행파의 특징을 보인다. 이에 따라 Stokes표류 속도는 원주방향의 성분만이 존재한다. 비정상유동의 해를 근거로 하여 바닥 및 측면 근처에서의 경계층 유동해를 구하였다. 그 결과, 바닥 경계층에서는 반경방향 및 원주방향의 정상속도 성분이, 측면 경계층에서는 수직방향의 정상속도 성분이 존재하였으며, 이 속도성분은 내부의 정상유동을 결정하는 경계조건으로 작용한다. 내부의 정상유동은 레이놀즈 수가 충분히 클 때에는 측면 벽 근처에서 하강하고 중심부에서는 상승하는 단일 Cell의 유동형태를 보이며, 레이놀즈 수가 낮을 경우에는 두 개의 cell이 나타난다. 이러한 내부의 정상유동 양상은 유체 교반에 있어서 결정적인 역할을 할 것으로 예상된다. 수치해석을 통한 검증은 비정상유동에 널리 사용되어지는 MAC방법을 수면높이방정식과 연계시켜서 유동해석을 하였다. 레이저가시화 실험을 통해 원통바닥에서 형성되는 입자의 궤적을 구한 결과는 이론해석의 결과와 일치하였으며, 내부의 유동을 염료를 사용하여 가시화한 결과도 cell의 중심위치나 유동의 방향등에서 수치 해석적 결과와 일치하였다. 본 연구결과는 생체기술의 가장 원초적인 단계에서 사용되는 회전요동 비커에 의한 세포 성장법에 있어서 유체유동과 관련된 가장 기본적인 아이디어를 제공할 것으로 기대된다. 그리고, 배양액의 성분이나 혼합도에 의해 결정되는 점성계수가 유체유동을 어떻게 다르게 만드는지, 그리고 이에 따라 교반효과가 어떻게 달라질 것인지를 예측하게 하는 중요한 기본 자료로 활용될 수 있다.
더보기A fluid flow inside a circular cylinder subject to horizontal and circular oscillation is analyzed theoretically, numerically and experimentally. Under the assumption of small-amplitude oscillation, the governing equations take linear forms. The velocity field is obtained in terms of the first of Bessel function of order 1. It was found that a particle describes an orbit close to a circle in the central region and an arc near the side wall. I also obtained the Stokes's drift velocity induced by the traveling wave along the circumferential direction. The Eulerian streaming velocities at the edge of the bottom and side boundary layers were also obtained. It was shown that the vertical component of the steady streaming velocity on the side wall is almost proportional to the amplitude of the free surface motion. Finite difference scheme based on MAC method was adopted for three dimensional stirring of incompressible Newtonian fluids. A cylinder with periodically oscillated free surface wave and was studied both experimentally and numerically for stirring flow conditions. Such mixing processes have practical application to the blending of viscous fluids, biological suspensions, or can be used as test beds to study pollutant formation. Fluid motion was revealed by laser sheet for visualizing neutrally buoyant particles placed into the mixing cavity. Numerical predictions and experimental visualization were in good agreement.
Incompressible flow inside a circular cylinder including periodically oscillating free surface waves was studied also by using a numerical method. We developed a finite difference scheme based on the HSMAC method applicable to three-dimensional free-surface flows, and applied it to the present flow model to study the flow characteristics as well as the fluid stirring. To verify the validity of our scheme, we performed a simple experiment for flow visualization. We found that the numerical results show a reasonable agreement with the observed flow patterns.
The steady streaming velocities at the edges of the boundary layers on the bottom and side surfaces of the cylinder were obtained numerically. The Stokes' drift velocity also constitutes the Lagrangian velocity which is used in the momentum equations. It turns out that the interior steady flow is composed of one cell, ascending at the center and descending near the side surface. The experimentally visualized flow patterns at the bottom surface agree well with the numerical solutions. The visualization experiment also confirms the flow direction as well as the center position of the cell obtained by the numerical solution.
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