[논문]벽면에 근접한 사각주 후면의 와류 유동장 수동제어

이보성; 김태윤; 이도형; 이동호

doi:10.5139/jksas.2004.32.6.016

벽면에 근접한 사각주 후면의 와류 유동장 수동제어
Passive Control of the Vortex Shedding behind a Rectangular Cylinder Near a Wall 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.32 no.6, 2004년, pp.16 - 22

이보성 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 김태윤 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 이도형 (한양대학교 기계공학부) , 이동호 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
AI-Helper

지면엔 근접한 사각주 후면에서 발생하는 비정상 와류 배출은 지상 운송체, 교량, 건물 등의 항력 증가뿐 아니라, 동안정성에도 큰 영향을 미친다. 비압축성 평균 Navier-Stokes 방정식에 수정된 ${\varepsilon}-SST$ 난류 모델을 적용하여 사각주 하부와 지면과의 간극 유동을 해석하였다. 사각주 후류에서 와류가 발생하는 경우에는 간극에서의 평균 최대 속도가 억제된 경우에 비하여 높으며, 또한 최대 속도의 위치 또한 사각주 하부에 근접한 것을 확인하였다. 본 연구에서는 사각주 하부에 수평, 수직의 펜스를 설치하는 수동 제어기법을 적용하여 사각 주 후류의 와류 배출용 억제할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Unsteady vortex shedding behind a rectangular cylinder near a wall influences both increasing of drag and dynamic stability of heavy vehicle, bridge or building. Incompressible Averaged Navier-Stokes equation with modified ${\varepsilon}-SST$ turbulence model is adapted for investigating the flow field between the rectangular cylinder and the wall. In case the vortex shedding happens, not only the averaged maximum velocity is higher than other cases, but the position of the maximum velocity is closer to the lower surface of rectangular cylinder. On this study, it is confirmed that the vortex shedding behind a rectangular cylinder can be suppressed by the passive control method added by horizontal and vertical fences to the lower surface of rectangular cylinder.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 사각주의 아랫면과 윗면에 각각 얇은 두께의 펜스를 설치하여 B/D가 증가 한 것과 동일한 효과 발생 여부를 확인하였다. 여기서는 B/D=0.
본 논문에서는 지면에 근접한 사각주의 종횡 비 및 지면과의 간극이 와류 유동장 발생에 미치는 영향을 살펴보고 이를 바탕으로 사각주 하부 에 수동제어기법을 적용한 수직, 수평의 펜스를 설치하여 사각주 후면의 와류 배출을 억제하고자 한다.
01B의 펜스 를 설치하고 유동장을 해석하였다. 본 수치 실험 은 와류 배출의 억제에 펜스 길이, 간극 높이 (G/D)의 영향을 확인하기 위함이 목적이다.
계산 격자는 H-Type의 단일구역 격자계이며, 사각주의 두께는 D, 폭은 B, 지면과의 간극은 G 로 나타낸다. 본 연구에서는 사각주의 종횡비 (B/D)를 0.5, 1.0, 1.5, 2.0으로 변화시키고, 지면 과의 간극(G/D)을 0.3~2.0까지 변화하여 사각주 의 종횡비와 지면과의 간극이 사각주 후면에서의 와류 유동장 형성에 미치는 영향을 살펴보았다. 격자수 증가에도 전체적인 특성에는 변화가 없음 을 확인하였다.
본 연구에서는 지면 근처의 사각주 후류에서의 비정상 와류 유동장에 대하여 수치 해석 및 실험을 수행하여 지면과의 간극 및 사각주의 종횡비 가 와류 생성에 미치는 영향에 대하여 고찰하였다. 지면 근처의 사각주 후류에서는 간극에서의 후류로의 충분한 운동량 공급과 간극 출구에서의 상승류와 상부의 박리 전단층의 상호 작용으로 와류가 생성된다.
본 절에서는 지면 근처의 사각주에 수동 제어 기법을 적용하여 후면에서의 와류 진동을 억제할 수 있는 기법에 대하여 알아보도록 하겠다.
일정한 G/D에서 B/D를 증가시키면 와류 유 동장이 억제됨은 앞 절에서 살펴보았다. 그런더〕, 현실적으로 이미 설계된 구조물의 B/D를 변경한 다는 것이 불가능한 경우가 대부분이다[5].

제안 방법

Fig. 13과 같이 먼저 유동장의 와류 진동이 발생 하지 않는 G/D=0.5를 기준으로, 와류 진동이 발생하는 G/D=0.6, 0.7에 대해서 사각주의 아랫면 에 수직으로 길이 0.1D, 0.2D, 두께 0.01B의 펜스 를 설치하고 유동장을 해석하였다. 본 수치 실험 은 와류 배출의 억제에 펜스 길이, 간극 높이 (G/D)의 영향을 확인하기 위함이 목적이다.
시 간적 분방법에는 병 렬 처리 에 적합한 DP-SGS (Data Parallel Symmetric Gauss-Seidel) 알고리즘을 사용하여 영역분할기법을 통해 병렬해석을 수행하여 계산시간을 단축하였다[7]. 그리고 난류 모델의 지배방정식은 평균 유동장 방정식과 결합 하여 2차원의 경우 다섯 개의 유동변수 ( p, u, V, k, a>)를 동시에 구하였다.
그리고, 유입류는 사각주의 전면으로부터 10D 지 점에서 1/7승 법칙을 적용하여 경계층 두께가 1.5가 되도록 적용하였다. 사각주 벽면과 지면 에서는 no-slip 경계조건을, 계산 영역의 윗면에 서는 대칭경계조건을 출구에서는 외삽 경계조건을 적용하여 해석을 수행하였다.
두 번째는 B/D=1.0인 경우에 대하여 G/D를 변화시키는 방향으로 유동장을 제어해보았다.
5가 되도록 적용하였다. 사각주 벽면과 지면 에서는 no-slip 경계조건을, 계산 영역의 윗면에 서는 대칭경계조건을 출구에서는 외삽 경계조건을 적용하여 해석을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 사각주의 아랫면과 윗면에 각각 얇은 두께의 펜스를 설치하여 B/D가 증가 한 것과 동일한 효과 발생 여부를 확인하였다. 여기서는 B/D=0.5일 때 와류 진동이 발생하는 경우가 와류 진동이 억제되는 G/D=0.5 의 B/D=1.0, G/D=0.5와 동일한 효과를 보이는지를 입증하기 위하여 사각주의 아랫면과 윗면에 양쪽 으로 0.25B의 얇은 펜스를 달아서 해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

격자수 증가에도 전체적인 특성에는 변화가 없음 을 확인하였다. 본 연구에서는 158x128 격자를 사용하였다. 모든 경우에 있어서 사각주의 두께 D와 자유류 속도 “8를 기준으로 한 레이놀즈는 22,000으로 고정시켰다.

이론/모형

본 연구에서는 식(1), 식(2)와 같이 2차원 비정 상 비압축성 평균 Navier-Stokes 방정식에 인공 압축성(artificial compressibility)을 도입하여 해 석을 수행하였다. 비정상 유동장을 해석하기 위하여 물리적 시간인 t 에 대해서 우변에서 2차의 후향차분을 사용하여 소스항으로 처리하면서 pseudo time항인 r를 도입하는 dual time step 방법을 적용하였다.
2는 B/D와 G/D에 따른 와류 유동의 무 에 적합하게 수정된 £~SST 난류 모델을 사용하여 구하게 된다[6]. 비점성항의 공간차분에는 3차 의 풍상 차분법을 사용하였으며 점성항의 차분에는 중심 차분법을 사용하였다.
본 연구에서는 식(1), 식(2)와 같이 2차원 비정 상 비압축성 평균 Navier-Stokes 방정식에 인공 압축성(artificial compressibility)을 도입하여 해 석을 수행하였다. 비정상 유동장을 해석하기 위하여 물리적 시간인 t 에 대해서 우변에서 2차의 후향차분을 사용하여 소스항으로 처리하면서 pseudo time항인 r를 도입하는 dual time step 방법을 적용하였다. 지배방정식은 다음과 같다.
시 간적 분방법에는 병 렬 처리 에 적합한 DP-SGS (Data Parallel Symmetric Gauss-Seidel) 알고리즘을 사용하여 영역분할기법을 통해 병렬해석을 수행하여 계산시간을 단축하였다[7]. 그리고 난류 모델의 지배방정식은 평균 유동장 방정식과 결합 하여 2차원의 경우 다섯 개의 유동변수 ( p, u, V, k, a>)를 동시에 구하였다.

성능/효과

2D의 펜스를 적용한 결과이다. 0.1D의 펜스를 적용한 경우와 류 진동을 억제할 수 없었으나, 0.2D의 펜스를 장착한 경우는 G/D가 임계간극 이하로 줄어드는 것과 동일한 효과를 보여서 와류 진동이 억제 됨을 볼 수 있다.
y/G는 지면과 사각주 사이의 간격을 나타낸다. G/D가 증가할수록 평균 유속의 최대값(“/“8)이 증가할 뿐 아니라, 최 대값이 나타나는 y/G 값도 증가함을 볼 수 있다. 위와 같은 특성은 Fig.
0까지 변화하여 사각주 의 종횡비와 지면과의 간극이 사각주 후면에서의 와류 유동장 형성에 미치는 영향을 살펴보았다. 격자수 증가에도 전체적인 특성에는 변화가 없음 을 확인하였다. 본 연구에서는 158x128 격자를 사용하였다.
하부의 박리 전단층의 상호 작용을 억 제한다. 둘째, 일정한 B/D에서는 G/D를 감소시키면 간극의 운동량을 감소시킨다.
앞 절의 결과를 상기하면, 사각주 후면의 와류는 G/D가 작을수록, B/D가 클수록 억제가 되었다. 즉, 사각주 후면의 와류 배출을 억제하기 위해서는 아래와 같은 2가지 가정을 세울 수 있다.
이를 바탕으로 사각주 하부에 적절한 높이의 수직, 수평의 펜스 를 설치하여 사각주의 간극 및 종횡비를 변화시 키는 방법으로 유동을 제어한 결과 최대 속도 , 최대 속도 위치(y/G)가 감소되었다. 이로 인해, 간극으로부터 운동량 공급과 상부 박리 전단층과 상승류와의 상호 작용이 간섭되어 와류 발생을 억제할 수 있으며 양력, 항력 계수도 감 소시킬 수 있었다.
간극의 속도 분포를 해석한 결과 와류 배출이 되는 경우에는 최대 속도값이 배 출이 없는 경우보다 크게 된다. 이를 바탕으로 사각주 하부에 적절한 높이의 수직, 수평의 펜스 를 설치하여 사각주의 간극 및 종횡비를 변화시 키는 방법으로 유동을 제어한 결과 최대 속도 , 최대 속도 위치(y/G)가 감소되었다. 이로 인해, 간극으로부터 운동량 공급과 상부 박리 전단층과 상승류와의 상호 작용이 간섭되어 와류 발생을 억제할 수 있으며 양력, 항력 계수도 감 소시킬 수 있었다.
즉, 사각주 후면의 와류 배출을 억제하기 위해서는 아래와 같은 2가지 가정을 세울 수 있다. 첫째, 일정한 G/D에서는 B/D를 증가시 킴으로써 상 . 하부의 박리 전단층의 상호 작용을 억 제한다.
그림에서 볼 수 있듯 이 사각주 아랫면에 펜스를 장착한 경우 유속의 최대값(u/u)은 감소하지 않으나 최대값이 발생하는 y/G가 감소하게 되어 와류 진동이 발생 하지 않는다. 한편, 사각주의 윗면에 펜스를 장착 한 경우에는 유속이 최대가 되는 y/G 값은 감소 하나 오히려 유속의 최 대값(u/u)은 증가함을 알 수 있고, 전체적으로 이 경우 상승류의 운동 량은 와류 진동을 발생시킬 정도로 충분한 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

Tae-yoon Kim, Bosung Lee, Dongho Lee, Do-hyung Lee, "A study of vortex shedding around a bluff body near the ground", 2003, SAE 2003-01-0652.
Bahram Khalighi, S.Zhang and C. Korokilas, S.R Balkanyi, et al. "Experimental and Computational Study of Unsteady Wake Flow Behind a Bluff Body with a Drag Reduction Device", 2001, SAE 2001-01-1042.
Edward G. Duell, A.R. George, "Experimental Study of a Ground Vehicle Body Unsteady Near Wake", 1999, SAE 1999-01-0812.
Tetsuro Tamura, Tetsuya Miyagi, "The effect of turbulence on aerodynamic forces on a square cylinder with various corner shapes", J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 83, 1999, 135-145.

상세보기
Y.Delaunay, L. Kaiktsis, "Active Control of Cylinder Wakes : Use of Base Suction and Blowing", ESAIM Prceedings, Vol. 7, 1999. pp 104-119.

상세보기
이보성, 김태윤, 박영희, 이동호, " ${\varepsilon}$ -SST 난류 모델을 적용한 벽면 근처 정사각주 유동장의 수치해석", 항공우주학회지 제31권 8호, pp. 1-7.
이보성, 이동호, "MPP에서의 효율적 분산처리를 위한 Data Parallel Symmetric Gauss-Seidel 알고리즘," 한국항공우주학회지 제 26권 2호, pp. 60-72.

상세보기
Sangsan Lee, "Unsteady aerodynamic force prediction on a square cylinder using ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence models," J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 67&68, 1997, pp.79-90.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증