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후향 계단에서 난류 유동에 대한 대와동모사

Large Eddy Simulation of Turbulent Flows over Backward-facing Steps

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.10 no.3, 2009년, pp.507 - 514  

황철홍 (미국립표준기술연구소) ,  금성민 (한라대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 연구에서는 재순환 유동 현상을 포함하는 후향 계단에서 난류 유동장에 대한 LES의 예측성능을 검토하였다. LES의 난류모델로서 Localized Dynamic ksgs-equation 모델이 적용되었으며, 계산시간의 절감을 위하여 16개의 프로세서를 이용한 병렬계산이 수행되었다 후향 계단의 층류 유동에 대한 직접수치모사(DNS)의 수행 결과, 본 계산 결과는 기존의 실험 및 수치결과를 매우 잘 예측하였다. 또한 중간 및 높은 Re 수에 해당되는 난류 영역의 LES 결과는 평균 재순환 유동특성을 비교적 잘 예측하였다. 위 결과를 통해 본 연구에서 개발된 LES 프로그램은 향후 실용 연소기에서 연소 불안정성 및 연소 소음 등의 해석에 유용할 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Large eddy simulation code was developed to predict the turbulent flows over backward-facing steps including a recirculating flow phenomena. Localized dynamic ksgs-equation model was employed as a LES subgrid model and the LES solver was implemented on parallel computer consisting of 16 processors t...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 계산영역 및 초기조건은 각 계산에 해딩되는 실험 결과를 바탕으로 제공되었다. 출구조건은 Poinsot와 Lele [10] 가 제안한 NSCBC(Navier -Stokes characteristics boundary condition)# 적용하였다.
  • 본 연구는 실용연소장 해석을 위한 LES 프로그램 개발의 일환으로서, 본 연구진에 의해 개발된 LES 프로그램을 이용하여, 반응이 고려되지 않는 후향계단에서의 재순환 유동장에 대한 LES의 예측 성능을 우선적으로 검토하고자 한다.
  • 이는 LES 유동 아격자 모델이 적용되기 전에 격자 및 이산화 등을 포함하는 전반적인 수치 알고리즘의 정확도를 검토하기 위한 것이다. 그리고 중간 및 높은 Re 수에 해당되는 난류 유동에 대한 LES의 검증을 위해서 Re= 5, 100[5] 및 22, 100[6]에 해당되는 유동을 대상으로 하였다.
  • 이러한 배경 하에 본 연구에서는 개발된 LES 프로그램의 비반응 층류 및 난류 유동장에 대한 예측성능을 검토하기 위하여, 후향 계단의 재순환 유동에 대한 수치 결과를 기존 실험결과와 비교.검토하였다.

가설 설정

  • 여기서 아t 는 난류 Prandtl 수로서 1 로 가정하였으며, Psgs 와 畔 는 阵 의 생성항과 소멸항을 의미한다. 생성 항은 Psgs = -聲㎛i 国七、)으로 표현되며, 이때 SGS 응력 텐서는 다음과 같다.
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참고문헌 (14)

  1. Syred, N., Chigier, N. A. and Beer, J. M. "Flame stabilization in recirculation zones of jets with swirl," Proceeding of Combustion Institute, Vol. 13, pp. 617-624, 1971. 

  2. Poinsot, T. and Veynante, D. "Theoretical numerical combustion," Edwards, 2001. 

  3. Le, H. and Moin, P. "Direct numerical simulation of turbulent flow over backward-facing step," Report TF-58, Dept. of Mech. Eng., Stanford Univ., 1994. 

  4. Arrnaly, B. F., Durst, F., Pereira, J. C. F. and Schonung, B. "Experimental and theoretical investigation of backward-facing step flow," J. Fluid Mech., Vol. 127, pp. 473-496, 1983. 

  5. Jovic, S. and Driver, D. M. "Backward-facing step measurement at low Reynolds number, $Re_h5000$ ," NASA Tech. Mem. 108807, 1994. 

  6. Pitz, R. W. and Daily, J. W. "Combustion in a turbulent mixing layer formed at a rearward-facing step," AIAA Journal, Vol. 21, No. 11, pp. 1565-1570, 1983. 

  7. Menon, S., Yeung, P. K. and Kim, W. W. "Effect of subgrid models on the computed interscale energy transfer in isotropic turbulence," Computers and Fluids, Vol. 25, No.2, pp. 165-180, 1996 

  8. Kim, W. W. and Menon, S. "A new dynamic one-equation subgrid-scale model for large-eddy simulation," AIAA-95-0356, 1995 

  9. MacCormack, "The effects of viscosity in hyper-velocity impact cratering," AIAA Paper 69-354, 1969 

  10. Poinsot, T. J. and Lele, S. K. "Boundary conditions for direct simulations of compressible viscous flows," J. Computational Physics, Vol. 101, pp. 104-129, 1992 

  11. Chiang, T. P. and Sheu, T. W. "A numerical revisit of backward-facing step flow problem," Physics and Fluids, Vol. 11, No.4, pp. 862-874, 1992. 

  12. Guerrero, J. S. P. and Cotta, R. M. "Benchmark integral transform results for flow over a backward-facing step," Computer and Fluids, Vol. 25, pp. 527-540, 1996. 

  13. Klein, M., Sadikj, A. and Janicka, J. "Investigation of the influence of the Reynolds number on a plane jet using direct numerical simulation," Int. J. Heat & Fluid Flow, Vol. 24, pp. 785-794, 2003. 

  14. Weller, H. G., Tabor, G., Gosman, A. D. and Furebby, C. "Application of flame-wrinkling LES combustion model to a turbulent mixing layer," Proceeding of the Combustion Institute, Vol. 27, pp. 899-907, 1998. 

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