본 연구에서는 구조적 기본단면인 사각단면중에서 B/D=2,3,4,5 단면을 대상으로 단면주위 흐름상태가 단면의 공기력 특성에 미치는 영향을 살펴보고, 정지/진동하는 B/D=4 사각실린더 주위의 비정상압력장에 POD해석을 도입함으로써 흐름패턴에 따른 POD해석의 고유벡터를 규정하고 실린더 주위 흐름장 안에 공존하는 서로 다른 흐름패턴의 상호간섭과 물리적 모드분해에 관하여 검토하였다. POD해석의 고유벡터 비교를 통해서 칼만와류는 박리버블에 의해서 거의 영향받지 않지만 칼만와류는 단면후류부에서 박리버블의 발달에 상당히 간섭하고 있음을 확인하 였다. 변장비(B/D=2,34,5) 변화에 따른 ${dC_L/d\alpha}$, ${H_1^{*}}$의 정(+)부(-)의 차이, 즉 갤로핑현상에 대한 안정/불안정성은 박리전단층의 재부착에 깊은 관련이 있는 것으로 판단되며 B/D=3,4에서 시간평균적으로 재부착하던 주위흐름장이 칼만와류의 방출을 제어하면 재부착하지 않는 것으로 생각된다. 즉, 칼만와류의 억제는 후류부에서 박리전단층의 곡률이 작아지도록 간섭하고 단면에 있어서 elongation효과를 나타낸다.
본 연구에서는 구조적 기본단면인 사각단면중에서 B/D=2,3,4,5 단면을 대상으로 단면주위 흐름상태가 단면의 공기력 특성에 미치는 영향을 살펴보고, 정지/진동하는 B/D=4 사각실린더 주위의 비정상압력장에 POD해석을 도입함으로써 흐름패턴에 따른 POD해석의 고유벡터를 규정하고 실린더 주위 흐름장 안에 공존하는 서로 다른 흐름패턴의 상호간섭과 물리적 모드분해에 관하여 검토하였다. POD해석의 고유벡터 비교를 통해서 칼만와류는 박리버블에 의해서 거의 영향받지 않지만 칼만와류는 단면후류부에서 박리버블의 발달에 상당히 간섭하고 있음을 확인하 였다. 변장비(B/D=2,34,5) 변화에 따른 ${dC_L/d\alpha}$, ${H_1^{*}}$의 정(+)부(-)의 차이, 즉 갤로핑현상에 대한 안정/불안정성은 박리전단층의 재부착에 깊은 관련이 있는 것으로 판단되며 B/D=3,4에서 시간평균적으로 재부착하던 주위흐름장이 칼만와류의 방출을 제어하면 재부착하지 않는 것으로 생각된다. 즉, 칼만와류의 억제는 후류부에서 박리전단층의 곡률이 작아지도록 간섭하고 단면에 있어서 elongation효과를 나타낸다.
In this study, the effect of an unsteady flow field around a body of aerostatic/aerodynamic forces were investigated using rectangular cylinders (B/D = 2, 3, 4, 5). Proper orthogonal decomposition (POD) was introduced to the analysis of the fluctuating pressure field that was measured on the station...
In this study, the effect of an unsteady flow field around a body of aerostatic/aerodynamic forces were investigated using rectangular cylinders (B/D = 2, 3, 4, 5). Proper orthogonal decomposition (POD) was introduced to the analysis of the fluctuating pressure field that was measured on the stationary/oscillatory B/D=4 rectangular cylinder, and the characteristics of the proper functions with flow patterns were identified. In addition, the physical decoupling and interactions in the different co-existing flow patterns were investigated through POD. The comparison with the identified proper function associated with a particular flow pattern revealed that the Karman vortex is almost not affected by the separation bubble, but that the Karman vortex considerably interferes in the development of the separation bubble around the trailing edge. It can be considered that the Karman vortex induces the increment of the curvature of the substantial separated flow.
In this study, the effect of an unsteady flow field around a body of aerostatic/aerodynamic forces were investigated using rectangular cylinders (B/D = 2, 3, 4, 5). Proper orthogonal decomposition (POD) was introduced to the analysis of the fluctuating pressure field that was measured on the stationary/oscillatory B/D=4 rectangular cylinder, and the characteristics of the proper functions with flow patterns were identified. In addition, the physical decoupling and interactions in the different co-existing flow patterns were investigated through POD. The comparison with the identified proper function associated with a particular flow pattern revealed that the Karman vortex is almost not affected by the separation bubble, but that the Karman vortex considerably interferes in the development of the separation bubble around the trailing edge. It can be considered that the Karman vortex induces the increment of the curvature of the substantial separated flow.
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문제 정의
본 연구에서는 구조기 본단면인 사각단면중에서 B/D=2.3, 4.5 단면을 대상으로 단면주위 흐름상태가 단면의 공기력 특성에 미치는 영향을 살펴보고 또한 단면주위의 비정상압력장에 POD해석을 적용하여 POD해석의 장점과 물리적의미를 고찰한다. POD해석은 단면주위의 랜덤한 변동압력장의 변화양상이 면에 내재된 bluff body flow의 정보를 제공하고 결국, bluff body의 공력불안정현상과 주위흐름에 대한 더 나은 이해를 도울 수 있다.
본 연구에서는 구조기본단면인 사각단면 중에서 B/D=4를 포함한 2, 3, 5단면에 대해서 칼만와류가 공력진동현상 및 정적공기력과 비정상공기력 특성에 미치는 영향을 검토하고 단면 주위 비정상압력장에 POD해석을 적용하여 POD해석의 물리적 의미와 bluff body 흐름속에서 칼만와류의 간섭 효과에 대해서 고찰하였다. 그 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다
제안 방법
그래프로부터 측정되었다. 그림1과같은 강제가진장치를 이용하여 휨/비틀림 1자유도에 대해서 배진폭 10mm와 2° 진폭의 조화가진상태에서 비정상공기력을 얻고 그로부터 비정 상공 기력계수를 계산하였다. 모든 실험은 단면배후에서 발달하는 칼만 와류의 생성을 억제하기 위한 splitter plate(길이, 900 mm) 삽입조건에서도 수행되었다.
단면주위 흐름상태가 단면의 공기력특성에 미치는 영향을 살펴보기 위해서 표1의 제원을 갖는 B/D=2,3,4,5 사각 단면에 대해서 층류상태에서 정적 공기력(항력.양력, 피칭모멘트) 계수와 비정상공기력 계수의 측정실험이 수행되었다.
모든 실험은 단면배후에서 발달하는 칼만 와류의 생성을 억제하기 위한 splitter plate(길이, 900 mm) 삽입조건에서도 수행되었다. 단면주위의 비정상압력 장의 변화양상을 파악하기 위해서 B/D=4 압력실험모형 (B=300m, D=75mm) 주위의 비정상압력이 정지모형상태와 휨/비틀림 1자유도에 대해서 각각 배진폭 10mm와 2°의 진폭의 조화 가진 상태에서 측정되었다. 압력실험 모형은 모형 상부/하부표면에각각 20개의 압력공이 배치되어있는데, 본 연구에서는 상부압력 공 20개로부터 얻어진 비정상압력에 POD해석을 적용했다.
그림1과같은 강제가진장치를 이용하여 휨/비틀림 1자유도에 대해서 배진폭 10mm와 2° 진폭의 조화가진상태에서 비정상공기력을 얻고 그로부터 비정 상공 기력계수를 계산하였다. 모든 실험은 단면배후에서 발달하는 칼만 와류의 생성을 억제하기 위한 splitter plate(길이, 900 mm) 삽입조건에서도 수행되었다. 단면주위의 비정상압력 장의 변화양상을 파악하기 위해서 B/D=4 압력실험모형 (B=300m, D=75mm) 주위의 비정상압력이 정지모형상태와 휨/비틀림 1자유도에 대해서 각각 배진폭 10mm와 2°의 진폭의 조화 가진 상태에서 측정되었다.
단면주위의 비정상압력 장의 변화양상을 파악하기 위해서 B/D=4 압력실험모형 (B=300m, D=75mm) 주위의 비정상압력이 정지모형상태와 휨/비틀림 1자유도에 대해서 각각 배진폭 10mm와 2°의 진폭의 조화 가진 상태에서 측정되었다. 압력실험 모형은 모형 상부/하부표면에각각 20개의 압력공이 배치되어있는데, 본 연구에서는 상부압력 공 20개로부터 얻어진 비정상압력에 POD해석을 적용했다.
정적 공기력계수는 영각 -10°에서 +10°까지 1°씩 변화시키며 측정하였고 영각에 대한 기울기는 다항식보간을 통해 얻어진 그래프로부터 측정되었다. 그림1과같은 강제가진장치를 이용하여 휨/비틀림 1자유도에 대해서 배진폭 10mm와 2° 진폭의 조화가진상태에서 비정상공기력을 얻고 그로부터 비정 상공 기력계수를 계산하였다.
6.1 정지모형
정지상태의 B/D=4 모형표면의 비정상압력장을 측정하였다. 정지모형의 경우에 모형주위 비정상압력장은 칼만 와류에 의해서 지배되며 비정상압력 대부분의 에너지는 Strouhal 진동수 근처에 분포한다.
즉 B/D=3, 4에서 시간평균적으로 재부착하는 단면주위 흐름장에 의해서 단면측면에서 내부순환류의 발달이 어려웠지만 splitter plate설치에 의해 칼만 와류의 방출이 억제됨으로써 박리전단층이 단면측면에 재부착하지 않을 가능성이 제기된다. 좀 더 명확한 칼만와류의 간섭을 조사하기 위해서 칼만와류의 생성억제를 위해 삽입한 splitter plate에 의해서 공기력진동특성에 큰 변화를 보이는 B/D=4단면에 대해서 단면주위 비정상압력장의 변화를 검토해 본다.
표현하기 위한 좌표계를 찾는 과정이다. 즉 불규칙한 데이터를 모드분해하기위한 basis를 추출하는 과정으로, 본연구에서는 단면모형 상면에서 측정된 비정상압력분포{P(t)} 에 POD해석이 아래와 같이 적용되었다.
성능/효과
(3) 단면주위 비정상압력장에 POD해석을 적용함으로써 칼만 와류, MIV, 박리버블과 같은 흐름패턴에 따른 고유벡터의 규정이 가능했으며 더욱이 서로 다른 흐름 패턴이 공존하는 경우에 POD해석이 제공하는 물리적 분해 특성에 의해서 고유벡터의 비교를 통한 서로 다른 흐름 패턴 간의 상호간섭을 확인할 수 있었다.
(4) POD해석의 고유벡터 비교를 통해서 칼만와류는 박리 버블에 의해서 거의 영향받지 않지만 칼만와류는 단면 후류 부에서의 박리버블의 발달에 상당히 간섭하고 있음을 알 수 있었다.
(5) 해석결과에 근거해서, 변장비에 따른 dCL/da, H1*의 정( + )부(-)의 차이는 박리전단층의 재부착에 깊은 관련이 있는 것으로 판단되며 B/D=3.4에서 시간 평균적으로 재부착하던 주위흐름장이 splitter plate의 설치로 칼만와류의 방출이 억제되면 재부착하지 않는 것으로 생각된다. 즉, 칼만와류의 억제는 후류부에서 박리 전단 층의 곡률이 작아지도록 간섭하고 단면에 있어서 elongation효과 즉 단면비 증가효과를 나타낸다.
33 이상의 고유벡터가 각각 MIV흐름과박리버블에 상응하는 비정상압력장의 특성을 대표하는 것으로 판단된다. 더욱이 휨/비틀림 1자유도 진동에서 1.2차 고유벡터의 특징이 풍속에 따라 거의 일치함을 확인할 수 있다.
모형배후에 splitter plate가 삽입되지 않은 조건에서의 모형의 휨/비틀림 1자유도 조화진동의 경우에, P7/Z> = 10.67 (heaving) 9.33(torsional)이하의 비정상압력장이 가진 진동수가 지배적이고 상대적으로 낮은 무차원풍속임을 감안할 때 그림13, 14에서 보여지는 고유벡터를 MIV흐름을 대표하는 것으로 생각할 수 있으며 splitter plate가 삽입된 경우에 확인된 MIV흐름의 고유벡터 특징과 비교하면 서로 잘 일치함을 확인할 수 있다. V/fD=16.
셋째, 1, 2차 모드의 고유벡터는 특정순간의 모형주위 비정상압력 장의 순간 압력분포와 일치한다. 넷째.
첫째, 1, 2차 모드의 누적 기여율이 90%이상이고 둘째, 1차 모드의 기준좌표는 2차모드에 대해서 약 90°의 위상차를 가진다. 셋째, 1, 2차 모드의 고유벡터는 특정순간의 모형주위 비정상압력 장의 순간 압력분포와 일치한다.
참고문헌 (6)
Armitt, J. (1968), Eigenvector analysis of pressure fluctuations on the West Burton instrumented cooling tower, Internal Report RD/L/N 114/68, Central Electricity Research Lab
Holmes, J.D. (1990), Analysis and synthesis of pressure fluctuations on bluff bodie using eigenvectors, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 33, pp.219-230
Kareem, A. and Cermak, J.E. (1984), Pressure fluctuations on a square building model in boundary layer flow, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 16, pp.17-41
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