Effect of Brownian motion in heat transfer of H2O-Cu Nanofluid using LBM

Abstract

본 논문에서는LBM(Lattice-Boltzmann Method)를 이용하여 H2O-Cu 나노유체의 유동장과 열전달 특성을 수치해석적으로 연구하였다. LBM 방법은 전체적인 해석효율의 제고를 위해 선택되었고, 그 능력은 단상 그리고 다상 유체 유동문제를 다룰 수 있다. 미시적인 관점에서 보면 이상(Two-phase) 혼합 유동에 대한 전통적인 수치기법은 나노유체의 유동장과 열전달 특성 그 고유의 본질을 나타낼 수 없다. 그 이유로 전통적인 기법은 물질의 미시적 구조를 나타낼 수 없지만, 통계학적 기법은 공간에서의 분자 운동과, 그 분자사이의 상호운동에 기초를 둔 값들을 계산한다. LBM은 이러한 문제들에 적절한 방법중의 하나이다. 본 연구의 주된 목적은 solid-fluid mixture 와 같은 다상(Multi-phase) 유동에 관한 것이다. 나노유체와 같은 복합유체의 유동 문제에 관한 시뮬레이션의 응용으로 확장하기 위해서는 나노유체에 다상(Multi-phase) LBM을 적용하기 전에 일상(Single –phase)LBM에 대해 먼저 이야기 하는 것이 낫다. LBM은 D2Q9 (two dimensional lattice with nine velocities) 모델과 함께 Lattice-BGK (Bhatnagar-Gross-Krook) 모델이라 불리는 single relaxation method 를 기반으로 만들어졌다. 이 모델에서는 직접적으로 속도나 압력과 같은 거시적인 유체물리량을 푸는 대신에 입자분포함수 (PDF: particle distribution function)을 사용함으로써 유체입자의 운동을 예측한다. 나노유체는 처음으로 Argonne National Laboratory 에서 제시하여 일반 유체에 나노 입자가 흩어진 혼합체로 정의를 하였다. 나노입자와 혼합된 나노유체는 열전도도가 우수한 특성을 갖고 있을 뿐만 아니라 나노입자의 부피비가 적을 경우에서도 열전달을 크게 향상 시킨다. 하지만 나노유체의 열의 수송의 메커니즘 은 현재까지 밝혀지지 않았다. 나노유체에서의 열전달은 여러 변수 즉, 입자의 크기, 모양, 재질, 농도, 입자의 부피 비, Brownian motion에 의한 외력, 견인력, 중력 등 여러 요소에 따라 큰 영향을 받는다. 다수의 연구에서는 나노유체의 유효적인 열전도도를 이용하여 단상유동으로 해석을 해왔으며 나노유체에서의 Brownian motion 에 대한 연구 결과는 각기 달랐다. 많은 연구 결과를 조사한 결과 Brownian motion이 나노유체 열전달에서 중요한 요소라고 판단이 되었다. Brownian motion에 대해 전통적인 방법으로 해석은 있으나 LBM방법으로서는 아주 적었다. 그러므로 본 연구에서는 Brownian motion을 고려하여 LBM방법으로 다상유동으로 나노유체에서의 유체유동과 열전달을 시뮬레이션 하였다. 구리(Cu) 입자를 고려하여 해석한 결과 전통적인 방법으로 해석한 결과와 잘 일치하였다.