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문제 정의
- 본 연구에서는 Kim and Pat이(1998)의 실험과 동일한 조건의 유동에 대하여 수치 계산을 수행하고 계산 결과를 실험과 비교, 검토하여, 후류 유동에 대한 정보를 제공하고 상용 코드를 사용한 수치 계산에 의해 평균유속과 난류응력 분포를 어느정도까지 정확히 추정할 수 있는지를 조사하였다.
제안 방법
- Fig. 7과같이 Iowa Body의 Tail로부터 x/L= 0.007, 0.8, 2.35 떨어진 위치에서 평균 유속과 레이놀즈 응력(Reynolds stresses)을 실험과 비교하여 도시하였으며, 유속은 유입속도(U0)로, 평면상의 y, z좌표는 Iowa Body의 최대 직경(Dmax)으로 무차원화 하였다.
- 기본 좌표계로는 Fig. 2에 도시한 바와 같이 Tail을 원점으로 유입속도 방향을 X축, 연직 상방향을 z축, 그리고 우현 방향을 y축으로 하는 직교좌표계(Cartesian coordinates)를 사용하였으며, 지배방정식인 연속 방정식과 운동량 방정식은 다음과 같다.
- 받음각을 갖는 축대칭 물체의 후류 유동에 대해계산을 수행하고 실험 결과와 비교, 검토하였다. 계산된 평균유속과 난류운동에너지 그리고 난류응력이 실험 결과와 비교적 잘 일치함을 보였다.
- 유출 경계는 물체로부터 비교적 멀리 떨어진 후류 유동에 대한 정보를 얻기 위해 Tail로부터 3배 떨어진 위치에 정하였다.
대상 데이터
- 생성하였다. 물체 표면에 길이 방향과 폭 방향 그리고 거스 방향으로 188×43×49 개의 격자를 분포시켰으며, 사용된 총 격자수는 약 40만개이다. 또한, Fig.
- 축대칭 물체(low& Body)는 길이가 1.5161m, 최대 직경이 0.1391m이며, 그 기하학적 형상을 Fig. 1에 간단히 나타내었다, 수치 계산은 실험과 동일한 레이놀즈 수인 2.2×106에서 수행하였다. 여기서, 레이놀즈 수인 Re는 다음과 같이 정의되며, U0유입속도이고, L은 물체의 길이이다.
이론/모형
- 1 도 받음각을 갖는 Iowa Body에 대해 수행하였으며, 상용코드인 FluentB 사용하였다. 본 연구에서는 실험에서 계측된 난류응력(Reynolds stresses)S 직접비교, 검토하기 위하여 Kim(2001)에 의해 개선된 Reyn 이 ds stress 난류모형을 사용하였으며, Launder and Splading의 wall functions 적용하였다. 지배방정식의 대류항은 3차 정도의 QUICK (Quardratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics) 방법으로, 확산항은 2차 정도의 중심차분법으로 보간하고, 2차 정도의 수치 적분을 사용하여 이산화하였다.
- 수치계산은 실험조건과 동일하게 10.1 도 받음각을 갖는 Iowa Body에 대해 수행하였으며, 상용코드인 FluentB 사용하였다. 본 연구에서는 실험에서 계측된 난류응력(Reynolds stresses)S 직접비교, 검토하기 위하여 Kim(2001)에 의해 개선된 Reyn 이 ds stress 난류모형을 사용하였으며, Launder and Splading의 wall functions 적용하였다.
- 지배방정식의 대류항은 3차 정도의 QUICK (Quardratic Upwind Interpolation for Convective Kinematics) 방법으로, 확산항은 2차 정도의 중심차분법으로 보간하고, 2차 정도의 수치 적분을 사용하여 이산화하였다. 압력에 대해서는 Rhie and Chow의 방법을 수정한 Fluent의 표준 방법을 사용하였고, 속도-압력 연성은 SIMPLEC 방법을 사용하였다. 반복계산의 수렴을 위한 완화계수로는 압력의 경우 0.
- 유동 계산을 위한 수치 격자는 상용 코드인 Gridgen을 사용하여 다블록 격자계로 생성하였다. 물체 표면에 길이 방향과 폭 방향 그리고 거스 방향으로 188×43×49 개의 격자를 분포시켰으며, 사용된 총 격자수는 약 40만개이다.
성능/효과
- 검토하였다. 계산된 평균유속과 난류운동에너지 그리고 난류응력이 실험 결과와 비교적 잘 일치함을 보였다. 축대칭 물체 바람맞이뒤쪽 표면에서 발생한 3차원 유동박리에 의해 형성된 한 쌍의 종방향 볼텍스는 축대칭 물체의 배후면을 따라서 발달하여 복잡한 3차원 후류 유동을 형성한다.
- 35)까지도 지속되는 것이 확인되었다. 또한 수치해석 결과로부터 물체에 근접한 후류 영역(x/LMO.1)에서는 속도가 빠르게 선형적으로 회복되다가, 이후 일정한 위치로부터 하류(x/L=2.35)로 가면서 속도회복이 상대적으로 완만해지는 것이 확인되었다. 본 연구를 통하여 3차원 유동 박리가 발생하는 물체 후류의 평균유속과 난류응력 등, 3차원 후류의 복잡한 난류유동 특성을 상용 CFD 계산을 통해 비교적 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다.
- 35)로 가면서 속도회복이 상대적으로 완만해지는 것이 확인되었다. 본 연구를 통하여 3차원 유동 박리가 발생하는 물체 후류의 평균유속과 난류응력 등, 3차원 후류의 복잡한 난류유동 특성을 상용 CFD 계산을 통해 비교적 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다. 이러한 CFD 유동 해석법은 잠수함이나 어뢰와 같은 수중운반체 주위의 난류유동을 해석하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 생각한다.
- 35)에서는 약 75% 떨어진 것으로 나타났다. 실험에서는 볼텍스가 비대칭이며 위쪽 볼텍스(upper vortex)의 경우, 계산에 비해 약 20% 안쪽 위치로 계측되었다.
- 축대칭 물체 바람맞이뒤쪽 표면에서 발생한 3차원 유동박리에 의해 형성된 한 쌍의 종방향 볼텍스는 축대칭 물체의 배후면을 따라서 발달하여 복잡한 3차원 후류 유동을 형성한다. 이 한 쌍의 종방향볼텍스가 후류에 미치는 영향은 실험과 마찬가지로 물체로부터 꽤 멀리 떨어진 하류(x/L=2.35)까지도 지속되는 것이 확인되었다. 또한 수치해석 결과로부터 물체에 근접한 후류 영역(x/LMO.
- 08U0 이고 최대값은 실험보다 약 12% 작게 나타났다. 이상의 평균유속 분포를 통해 실험에서의결과와 대체로 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 3차원 유동 박리가 발생하는 물체 후류의 평균유속과 난류응력 등, 3차원 후류의 복잡한 난류유동 특성을 상용 CFD 계산을 통해 비교적 정확하게 추정할 수 있음을 확인하였다. 이러한 CFD 유동 해석법은 잠수함이나 어뢰와 같은 수중운반체 주위의 난류유동을 해석하는데 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 생각한다.
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