타원형 실린더의 두께와 받음각 및 레이놀즈수가 실린더에 작용하는 항력과 양력에 어떤 영향을 미치는가를 고찰하기 위해서 수치적 연구를 수행하였다. 타원형 실린더 주위를 흐르는 비정상 점성 유동을 해석하기 위하여 SIMPLER 기법을 이용한 2차원 비압축성 Navier-Stokes 유동 해석 프로그램을 개발하였으며, 두께-시위길이 비가 0.2, 0.4, 0.6인 타원형 실린더 형상에 대해서 레이놀즈수가 400, 600인 조건, 그리고 받음각이 10도, 20도, 30도인 조건하에서 유동을 해석하였다. 본 연구를 통해서 실린더 두께 비와 받음각 및 레이놀즈수가 항력과 양력 계수의 시간 평균값 및 진폭의 크기, 그리고 진동 주기에 크게 영향을 미침을 확인할 수 있었다.
타원형 실린더의 두께와 받음각 및 레이놀즈수가 실린더에 작용하는 항력과 양력에 어떤 영향을 미치는가를 고찰하기 위해서 수치적 연구를 수행하였다. 타원형 실린더 주위를 흐르는 비정상 점성 유동을 해석하기 위하여 SIMPLER 기법을 이용한 2차원 비압축성 Navier-Stokes 유동 해석 프로그램을 개발하였으며, 두께-시위길이 비가 0.2, 0.4, 0.6인 타원형 실린더 형상에 대해서 레이놀즈수가 400, 600인 조건, 그리고 받음각이 10도, 20도, 30도인 조건하에서 유동을 해석하였다. 본 연구를 통해서 실린더 두께 비와 받음각 및 레이놀즈수가 항력과 양력 계수의 시간 평균값 및 진폭의 크기, 그리고 진동 주기에 크게 영향을 미침을 확인할 수 있었다.
A parametric study has been accomplished to figure out the effects of the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number on the lift and drag forces exerted on the elliptic cylinder. A two-dimensional incompressible Navier-Stokes flow solver is developed using SIMPLER method to an...
A parametric study has been accomplished to figure out the effects of the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number on the lift and drag forces exerted on the elliptic cylinder. A two-dimensional incompressible Navier-Stokes flow solver is developed using SIMPLER method to analyze the unsteady viscous flow over elliptic cylinder. Thickness-to-chord ratios of 0.2, 0.4, and 0.6 elliptic cylinders are simulated at different Reynolds numbers of 400 and 600, and angles of attack of $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, and $30^{\circ}$. Through this study, it is observed that the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number affect significantly not only the time-mean values and the amplitudes of the drag and lift forces but also the frequencies of the force oscillations.
A parametric study has been accomplished to figure out the effects of the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number on the lift and drag forces exerted on the elliptic cylinder. A two-dimensional incompressible Navier-Stokes flow solver is developed using SIMPLER method to analyze the unsteady viscous flow over elliptic cylinder. Thickness-to-chord ratios of 0.2, 0.4, and 0.6 elliptic cylinders are simulated at different Reynolds numbers of 400 and 600, and angles of attack of $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, and $30^{\circ}$. Through this study, it is observed that the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number affect significantly not only the time-mean values and the amplitudes of the drag and lift forces but also the frequencies of the force oscillations.
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문제 정의
본 연구의 목적은 레이놀즈수나 받음각의 변화와 같이 유동 조건이 변하거나 타원형 실린더의 두께 변화와 같이 물체의 기하학적 조건이 변할 때 물체에 작용하는 양력과 항력이 어떤 영향을 받게 되는가를 수치적으로 고찰하는데 있다. 따라서 이들 변수들이 변할 때 계산되는 수치해석 결과를 종합, 분석하는데 초점을 두었으며, 유동 현상에 대한 원인 분석이나 현상 규명에 대한 연구는 본 연구 결과에서 제외시키기로 하였다.
본 연구의 목적은 타원형 실린더 주위를 비압축성 점성 유동이 흐를 때 실린더 후방의 위와 아래에서 일정한 주기를 갖고 교대로 발생하는 와류 때문에 형성되는 진동하는 항력과 양력이 실린더 두께와 받음각 및 레이놀즈수에 의해서 시간에 대한 진동하는 힘의 평균값과 진폭, 그리고 진동주기에 어떠한 영향을 받는가를 관찰하는데 있으며, 이를 위해서 실린더 시위길이(chord length)를 단위 길이로 할 때 실린더의 최대 두께가 0.2, 0.4, 0.6이 되는 타원형 실린더 형상에 대해서 레이놀즈수가 400과 600이고, 받음각이 10도, 20도, 30도인 조건을 파라미터로 선정하여 비압축성 이차원 Navier-Stokes 방정식을 SIMPLER 알고리즘을 이용하여 수치적으로 해석하였다.
제안 방법
Fig. 2에서 볼 수 있듯이 실린더 중심으로부터 실린더 시위 길이의 30배가 되도록 계산 영역을 설정하였으며, 계산을 위해서 사용된 타원형 실린더 형상은 시위길이를 단위 길이로 고정시킨후 두께비의 변화를 위해서 최대 두께의 값만 변화시켰다. 실린더 표면에서 사용된 경계조건은점착 조건이고, 유입 조건은 자유 흐름 조건을, 유출 조건은 외삽법을 각각 사용하였으며, 비정상 유동현상을 관찰하기 위해서, 순환 경계 조건 (cyclic boundary condition)을 사용하였다.
유동조건과 관계있는 받음각 및 레이놀즈수, 그리고 물체의 기하학적 조건과 관계가 있는 실린더 두께를 변화시켰을 때 이들 변수들이 실린더에 작용하는 항력(cd) 및 양력(Q)에 어떤 영향을 주는가를 수치적으로 해석한 결과 아래와 같은 결론을 도출할 수 있었다.
대상 데이터
계산에 사용된 격자는 148x151 크기의 O-mesh 형상으로 대수적인 방법을 사용하여 생성하였다. Fig.
이론/모형
2에서 볼 수 있듯이 실린더 중심으로부터 실린더 시위 길이의 30배가 되도록 계산 영역을 설정하였으며, 계산을 위해서 사용된 타원형 실린더 형상은 시위길이를 단위 길이로 고정시킨후 두께비의 변화를 위해서 최대 두께의 값만 변화시켰다. 실린더 표면에서 사용된 경계조건은점착 조건이고, 유입 조건은 자유 흐름 조건을, 유출 조건은 외삽법을 각각 사용하였으며, 비정상 유동현상을 관찰하기 위해서, 순환 경계 조건 (cyclic boundary condition)을 사용하였다.
성능/효과
1. 받음각이 증가하면 전체 항력계수(cd)와 표면압력에 의한 항력계수(cdp)가 동일한 받음각증가량에 대해서 증가율이 더 크게 증가하는반면에, 전체 양력계수(clp)와 표면 압력에 의한 양력계수(cdf)는 다소 둔화되는 양상으로증가하였다. 또한 마찰력에 기인한 .
2. 실린더 두께가 얇을수록 항력계수(cd,cdp,cdf)가 감소하는 반면에 전체 양력계수(乙f)와 표면 압력에 의한 양력계수(는 증가하였다. 그러나 마찰력에 의한 양력계수(?)는 영향을 받지 않았다.
3. 레이놀즈수의 변화는 다른 파라미터와는 달리양력계수의 변화에 거의 영향력을 미치지 못했으나 항력계수는 레이놀즈수의 감소와 더불어 증가하였다. 그리고 힘의 진폭에 미치는 영향력은 양력에 더 크게 미치는 것으로 나타났다.
4. 힘의 진동수 변화는 실린더 두께 변화에 가장민감한 반응을 보여 주었으며 레이놀즈수의변화에는 아주 미미한 변화를 보여주었다.
레이놀즈수의 변화는 다른 파라미터와는 달리양력계수의 변화에 거의 영향력을 미치지 못했으나 항력계수는 레이놀즈수의 감소와 더불어 증가하였다. 그리고 힘의 진폭에 미치는 영향력은 양력에 더 크게 미치는 것으로 나타났다. 즉, 양력 진폭이 항력 진폭보다 레이놀즈수가 증가할 때 동일한 레이놀즈수 증가량에대해서 약 10배 이상의 더 큰 증가율로 증가하였다.
그리고 힘의 진폭에 미치는 영향력은 양력에 더 크게 미치는 것으로 나타났다. 즉, 양력 진폭이 항력 진폭보다 레이놀즈수가 증가할 때 동일한 레이놀즈수 증가량에대해서 약 10배 이상의 더 큰 증가율로 증가하였다.
그러나 마찰력에 의한 양력계수(?)는 영향을 받지 않았다. 한편, 항력 진폭()은 받음각이 상대적으로 작은 경우는 감소하는 반면에 큰 경우는 오히려 증가하는 경향을 보여주었고, 양력 진폭()은 모든 받음각에 대해서 감소하되 받음각이 작을수록 감소율이 증가하였다.
참고문헌 (8)
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