[논문]리블렛 표면을 이용한 난류 유동해석 및 마찰 저항감소

윤현식; 구본국; 전호환

doi:10.3744/snak.2004.41.4.059

리블렛 표면을 이용한 난류 유동해석 및 마찰 저항감소
Turbulent Flow Analysis and Drag Reduction by Riblet Surfaces 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.41 no.4, 2004년, pp.59 - 67

윤현식 (부산대학교 첨단조선공학연구센터) , 구본국 (부산대학교 첨단조선공학연구센) , 전호환 (부산대학교 첨단조선공학연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Direct numerical simulations of turbulent flows over riblet-mounted surfaces are performed to educe the mechanism of drag reduction by riblets. Numerical simulations are performed for flow fields with R $e_$\tau$/=180. For riblet ridge angle $\alpha$=60$^{\circ}$, two different riblet spacings of $s^+/=20 and 40 are used in this study. The computed drag on the riblet surfaces is in good agreement with existing computational and experimental data. The mean velocity profiles show upward and downward shifts in the log-law for drag-decreasing and drag-increasing cases, respectively Turbulence statistics above the riblets are computed and compared with those above a flat plate. The purpose of this study is in two categories: first, to understand the drag reduction mechanism on riblet surface, second, to verify our own code by comparison of the present results with those from previous studies.udies.

주제어

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문제 정의

본 논문에서는, 마찰저항 감소를 위한 연구의 일환으로서 리블렛 표면을 이용하여 유동제어 및 저항 감소에 대한 연구를 수행하였다. 리블렛이 난류 유동에서 마찰저항을 감소 또는 증가시키는 메커니즘을 이해함으로써 선박이나 다른 공학영역에 적용시키는데 본 연구의 목적이 있다.
본 논문에서는, 마찰저항 감소를 위한 연구의 일환으로서 리블렛 표면을 이용하여 유동제어 및 저항 감소에 대한 연구를 수행하였다. 리블렛이 난류 유동에서 마찰저항을 감소 또는 증가시키는 메커니즘을 이해함으로써 선박이나 다른 공학영역에 적용시키는데 본 연구의 목적이 있다.
본 연구에서는 유한체적법을 이용하여 직접수치 모사방법을 사용하여 리블렛이 장착된 채널유동에 서의 마찰 저항감소에 대한 연구를 수행하였다. 마찰저항 증가 형상(s⁺=40 )과 마찰저항 감소형상(3=20)의s⁺감소형상(3=20)의 두 가지 리블렛 형상들에 대하여 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 최소의 채널영역에서 리블렛을 영향을 해석하였다. 향후 연구에서는 본 연구에서 사용한 계산 영역보다 큰 영역에서 더욱 많은 격자계를 사용하여 공간에 대한 더욱 다양한 난류 응집 구조(coherent structures)를 해석하여, 리블렛에 의한 마찰저항 감소 메커니즘을 더욱 체계화하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 유한체적법을 이용하여 직접수치 모사방법을 사용하여 리블렛이 장착된 채널유동에 서의 마찰 저항감소에 대한 연구를 수행하였다. 마찰저항 증가 형상(s⁺=40 )과 마찰저항 감소형상(3=20)의s⁺감소형상(3=20)의 두 가지 리블렛 형상들에 대하여 연구를 수행하였다. 두 경우 모두 리블렛 각은 a = 60°와 레놀즈수는 R%=180 에 관해서 수치해석이 이루어졌다.
일정 물성치의 비압축성 유동에 대한 지배방정식으로 아래의 무차원화된 운동량 보존 방정식과 연속 방정식이 사용되었다.

대상 데이터

Table 1에서 보는 바와 같이, 본 연구에서는 두 가지 경우에 대해서 각각 계산을 수행하였고 레이 놀즈수는 두 경우 동일하게 Re_τ=180 이며, 20x144x154 (45 만개)와 20x144x306 (90 만개)의 두 격자계률 사용하였다. 각각의 격자계에 해당하는 리블렛의 개수는 4개와 8 개이다.
리블렛 형상에는 여러가지 종류가 있으나 본 연구에서는 여러 참고문헌에서 많이 다루어진 V 형 리블렛을 채택하였고, 형상에 대해서는 다음 절에서 자세히 설명되어진다.

이론/모형

본 계산에서는 계산 속도의 가속화 및 많은 수의 격자를 사용하기 위해서 병렬처리를 수행하였다 (윤현식 등 2004)).
시간차분에 대해서 time-splitting, 공간차분은 2차 중앙 차분법을 적용하였다. 점성항에 대해서 Crank-Nicolson 방법, 비선형항에 대해서 2차 Adams-Bathfath 방법을 사용하였다.
시간차분에 대해서 time-splitting, 공간차분은 2차 중앙 차분법을 적용하였다. 점성항에 대해서 Crank-Nicolson 방법, 비선형항에 대해서 2차 Adams-Bathfath 방법을 사용하였다.

성능/효과

(1993)은 주유동 방향으로 16개와 32개를 사용해 얻은 최대 난류강도들과 레이놀즈 전단응력들이 2%내의 차이를 보였다. 따라서, 본 연구에서 사용한 주유동 방향으로 20개의 격자는 기존연구들과 비교시 적절한 격자수 범위에 있다고 판단된다. 하지만, 엄밀히 말해서 DNS 에서는 가장 작은 스케일인 Komogorov 길이 스케일 보다 격자의 크기가 작아야 한다.
마찰 저항 감소와 관련하여 s⁺=20 경우는 점성 아층 (viscous sublayer) 두께의 증가에 기인하여 평균속도가 로그법칙선 보다 위로 이동되고, 마찰 저항 증가 형상인 s⁺= 40 경우는 점성 아층 두께의 감소에 의해서 평균속도가 로그법칙선 아래에 위치한다. 예측되는 바와 같이 s⁺ = 40경우의 리블렛 근처에서 각 난류강도들의 값이 평판 근처의 값보다 크며, s⁺ = 20 경우는 s⁺=40 경우와 반대 결과를 보여주었다.
그는 다양한 종류의 리블렛형상에 대하여 정밀하게 항력을 측정한 결과, 리블렛의 크기가 s+v30 과 h⁺< 30의 조건하에서 저항이 감소한다는 것을 알아냈다. 특히 h⁺ = s⁺ =12의 대칭적인 V형태를 가지는 리블렛의 두가지 형상에 대해서 가장 큰 8%의 저항감소를 얻었다.

후속연구

따라서, 대부분의 DNS 에서 대략 ▽x = η▯10η정도의 크기를 갖는 격자를 사용한다. 그러므로, 향후 더욱 정확한 결과를 얻기 위해서 최소한 현재보다 3배 이상의 격자가 필요하다고 판단된다. 벽에 수직한 방향으로는 hyperbolic tangent 분포를 이용한 일정하지 않은 격자 간격으로 리블렛 팁과 밸리에서 첫번째 격자점까지의 간격은 각각 Δx₂⁺≈0.
본 연구에서는 최소의 채널영역에서 리블렛을 영향을 해석하였다. 향후 연구에서는 본 연구에서 사용한 계산 영역보다 큰 영역에서 더욱 많은 격자계를 사용하여 공간에 대한 더욱 다양한 난류 응집 구조(coherent structures)를 해석하여, 리블렛에 의한 마찰저항 감소 메커니즘을 더욱 체계화하고자 한다.

참고문헌 (18)

강성희, 1997, Riblet 을 가진 난류 경계층의 난류 구조 변화에 관한 연구, 포항공대 기계공학부 석사학위논문.
김덕수, 김형태, 김우전, 2003, "미소기포 주입에 의한 마찰저항 감소에 대한 연구," 대한조선학회 논문집, 제 40 권, 제 3 호, pp. 1-8.

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김형태, 김덕수, 김우전, 2003, "폴리머 수용액 주입에 의한 난류마찰저항 감소에 대한 실험 연구," 대한조선학회 논문집, 제 40 권, 제 3 호, pp. 9-15.

원문보기 상세보기
안일준, 장진호, 김효철, 2001, "횡방향 riblet 이 선저의 공기 공동 형성에 미치는 영향," 대한조선학회 논문집, 제 19 권, 제 20 호, pp. 228-232.
윤현식, 구본국, Osama, A. El-Samni, 박종천, 전호환, 2004, "마찰저항감소를 위한 난류유동의 DNS/LES 해석기술의 개발," 대한조선학회 논문집, 제 41 권, 제 1 호, pp. 47-54.

원문보기 상세보기
장진호, 김효철, 1999, "선저에 부착된 공기 공동에 의한 선박의 저항감소에 관한 연구," 대한조선학회 논문집, 제 36 권, 제 2 호, pp. 1-8.

원문보기 상세보기
Bechert, D.W. and Bartenwerfer, M., 1989, "The viscous flow on surfaces with longitudinal ribs," J. Fluid. Mech. 206, pp. 105-129.

상세보기
Choi, H., Moin, P. & Kim, J., 1993, "Direct numerical simulation of turbulent flow over riblets", J. Fluid. Mech. 255, pp. 503-539.

상세보기
Choi, K. S., 1989, "Near-wall structure of turbulent boundary layer with riblets," J. of Fluid Mechanics, Vol. 208, pp. 417-458.

상세보기
Chu, D.C. and Karniadakis, G.E., 1993, "A direct numerical simulation of laminar and turbulent flow over riblet-mounted surfaces", J. Fluid. Mech. 250, pp. 1-42.

상세보기
Goldstein, D., Handler, R. and Sirovich, L., 1995, "Direct numerical simulation of turbulent flow over a modelled riblet-covered surface", J. Fluid. Mech. 302, pp. 333-376.

상세보기
Lee, D. H. and Choi, H. C. 2001, "Magnetohydro-dynamic turbulent flow in a channel at low magnetic Reynolds number", J. of Fluid Mechanics, Vol. 439, pp. 369-394.
Park, J. and Choi, H., 1999, "Effects of uniform blowing or suction from a spanwise slot on a turbulent boundary layer," Phys. Fluids, Vol. 11, pp. 3095-3105.

상세보기
Stalio, E., Nobile, E., 2003, "Direct numerical simulation of heat transfer over riblets", Int. J. of Heat and Fluid, vol. 24, pp. 356-371.

상세보기
Suzuki, Y. and Kasagi, K., 1994, "Turbule nt Drag Reduction Mechanism Above a Riblet Surface." AIAA Journal, 32, No. 9, pp. 1781-1790.

상세보기
Vukoslavcevic, P., Wallace, J. M., and Balint, J.-L., 1991, "Viscous Drag Reduction Using Streamwise-Aligned Riblets," AIAA Journal, 30, No. 4, pp. 1119-1122.

상세보기
Walsh. M. J., 1982, "Turbulent Boundary Layer Drag Reduction Using Riblets", AIAA paper 82-0169.
Walsh, M. J., 1983, "Riblets as a Viscous Drag Reduction Technique", AIAA Journal, Vol. 21, No. 4, pp. 485-486.

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