[논문]난류 파이프 유동에서의 레이놀즈 수 영향: Part II. 순간유동장, 고차 난류통계치 및 난류수지

강창우; 양경수

doi:10.6112/kscfe.2011.16.4.100

난류 파이프 유동에서의 레이놀즈 수 영향: Part II. 순간유동장, 고차 난류통계치 및 난류수지
REYNOLDS NUMBER EFFECTS ON TURBULENT PIPE FLOW PART II. INSTANTANEOUS FLOW FIELD,HIGHER-ORDER STATISTICS AND TURBULENT BUDGETS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.16 no.4 = no.55, 2011년, pp.100 - 109

강창우 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 양경수 (인하대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Large eddy simulation(LES) of fully developed turbulent pipe flow has been performed to investigate the effect of Reynolds number on the flow field at $Re_{\tau}$=180, 395, 590 based on friction velocity and pipe radius. A dynamic subgrid-scale model for the turbulent subgrid-scale stresses was employed to close the governing equations. The mean flow properties, mean velocity profiles and turbulent intensities obtained from the present LES are in good agreement with the previous numerical and experimental results currently available. The Reynolds number effects were observed in the higher-order statistics(Skewness and Flatness factor). Furthermore, the budgets of the Reynolds stresses and turbulent kinetic energy were computed and analyzed to elucidate the effect of Reynolds number on the turbulent structures.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 동아격자 모델(Dynamic Subgrid-scale Model)을 적용한 LES를 이용하여 파이프 유동에서의 Reτ 변화가 난류 유동장에 미치는 영향에 대한 두 번째 연구로서 Skewness, Flatness, 레이놀즈 응력 및 난류 운동에너지의 수지의 변화에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 동아격자 모델이 적용된 LES를 이용하여 난류 파이프 유동에서 Reτ의 변화가 Skewness, Flatness, 레이놀즈 응력 및 난류 운동에너지의 수지의 변화에 대한 연구를 수행하였다.
파이프에서의 난류유동에 대한 공학적 중요성은 앞선 난류 파이프 유동에서의 레이놀즈 수 영향(PartⅠ)에서 언급되었다. 앞선 연구에서는 레이놀즈 수 변화에 따른 평균 유동장, 속도섭동 및 레이놀즈 전단응력의 변화에 대하여 알아보았으며, 이번 연구에서는 레이놀즈 수 변화가 higher-order statatistics(Skewness and Flatness)와 레이놀즈 응력 및 난류 운동에너지의 수지에 미치는 영향에 대하여 알아보고자한다.

제안 방법

LES가 수행된 Reτ 범위는 180, 395, 590로 Reτ=180인 경우에 대해 기존 연구 결과들과의 검증을 하였으며, 기존에 수행되지 않았던 Reτ=395, 590의 계산을 통해 Reτ 변화에 따른 변화를 알아보았다.
본 연구에서는 subgrid-scale 응력 항들은 제외한 large-scale 레이놀즈 응력 및 난류 운동에너지#의 수지(budget)를 계산하였다. 수송 방정식의 모든 항들은 #로 무차원화 되었다.

성능/효과

(c))로 증가함에 따라 축방향 레이놀즈 응력 수지의 형태는 Reτ=180일 때와 유사하지만, 벽면 근처에서의 수지 항들의 크기가 증가하는 것을 알 수 있다.
[1]의 DNS 결과와 비교하여 나타낸 것이다. DNS 결과와 비교하여 대체적으로 잘 일치하며, Dissipation 항이 가장 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 계산에서 제외된 subgrid-scale 응력과 낮은 격자해상도의 영향으로 벽면 근처에서 다소 차이를 보이는 것으로 보인다.
Reτ = 180에서 LES를 이용한 계산 결과가 기존의 DNS 결과와 잘 일치하였다.
[1]의 DNS 및 실험과 Loulou et al.[2]의 계산 결과에서 y⁺ ≃ 13에서 Skewness의 부호가 바뀌지만, LES 계산에서는 y⁺ ≃ 20에서 부호가 바뀐다. Re_τ가 증가하여도 y⁺에 대한 Skewness factor는 크게 변하지 않으며 y⁺가 증가함에 따라 일정한 값으로 수렴한다.
기존 연구 결과들과 마찬가지로 Flatness factor는 벽면 근처 (y+ <20)에서 최소가 되며, 벽면에 근접할수록 Flatness factor가 급격하게 커지는 것을 확인할 수 있다.
채널 유동의 경우 Re_τ가 증가함에 따라 벽면 근처에서의 회전방향 속도성분의 Flatness factor가 점차 증가하는 경향을 보인다[13]. 따라서 파이프 유동에서도 동일한 결과를 보일 것으로 생각되지만 본 연구의 LES 계산 결과에서는 벽면 근처에서의 낮은 격자해상도로 인하여 그와 같은 결과를 보일 수 없었다.
또한 Reτ가 180에서 395로 증가할 때에 비해서 395에서 590으로 증가할 때의 수지 항들의 증가폭이 작음을 확인하였다.
[14]은 viscous sublayer와 buffer layer에서 수직방향 속도섭동의 Flatness factor는 격자해상도에 의존함을 보였다. 본 연구에서도 낮은 격자 해상도로 인하여 viscous sublayer와 buffer layer에서 Flatness factor가 높게 계산되었으며, 격자해상도가 증가함에 따라 벽면 근처에서의 Flatness factor가 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 채널유동에서의 LES 계산 결과도 동일한 결과를 보인다[7].
[2]의 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 본 연구의 LES 결과의 경우 벽면 근처에서의 낮은 격자해상도로 인해 오차를 보이며 격자해상도가 높아질수록 오차는 줄어드는 것을 알 수 있다[7,12].
또한 Re_τ가 180에서 395로 증가할 때에 비해서 395에서 590으로 증가할 때의 수지 항들의 증가폭이 작음을 확인하였다. 순간 유동장에서의 등고선으로부터 벽면 근처에서의 가늘고 긴 형태의 eddy 구조를 확인하였으며, Re_τ가 증가함에 따라 그 길이가 줄어들고 복잡해 짐을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서는 레이놀즈 수 변화가 어디에 미치는 영향에 대해 알아보고자 하는가?	파이프에서의 난류유동에 대한 공학적 중요성은 앞선 난류 파이프 유동에서의 레이놀즈 수 영향(PartⅠ)에서 언급되었다. 앞선 연구에서는 레이놀즈 수 변화에 따른 평균 유동장, 속도 섭동 및 레이놀즈 전단응력의 변화에 대하여 알아보았으며, 이번 연구에서는 레이놀즈 수 변화가 higher-order statatistics(Skewness and Flatness)와 레이놀즈 응력 및 난류 운동에너지의 수지에 미치는 영향에 대하여 알아보고자한다.
	파이프 유동에서의 Skewness와 Flatness에 대한 연구는 무엇에 국한되어 왔는가?	파이프 유동에서의 Skewness와 Flatness에 대한 연구는 낮은 레이놀즈 수에 국한되어왔다. Eggels et al.
	앞선 난류 파이프 유동에서의 레이놀즈 수 영향 연구에서 알아본 것은 무엇인가?	파이프에서의 난류유동에 대한 공학적 중요성은 앞선 난류 파이프 유동에서의 레이놀즈 수 영향(PartⅠ)에서 언급되었다. 앞선 연구에서는 레이놀즈 수 변화에 따른 평균 유동장, 속도 섭동 및 레이놀즈 전단응력의 변화에 대하여 알아보았으며, 이번 연구에서는 레이놀즈 수 변화가 higher-order statatistics(Skewness and Flatness)와 레이놀즈 응력 및 난류 운동에너지의 수지에 미치는 영향에 대하여 알아보고자한다.

참고문헌 (16)

1994, Eggels, J.G.M., Unger, F., Weiss, M.H., Westerweel, J., Adrian, R.J., Friedrich, R. and Nieuwstadt, F.T.M., "Fully developed turbulent pipe flow : a comparison between direct numerical simulation and experiment," J. Fluid Mech., Vol.268, pp.175-209.

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1997, Loulou, P., Moser, R.D., Mansour, N.N. and Cantwell, B.J., "Direct numerical simulation incompressible pipe flow using a B-spline spectral method," Technical Report Technical Memorandum 110436, NASA/Ames Research Center.
1995, Durst, F., Jovanovic, J. and Sender, J., "LDA measurements in the near-wall region of a turbulent pipe flow," J. Fluid Mech., Vol.295, pp.305-335.

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1997, den Toonder, J.M.J. and Nieuwstadt, F.T.M., "Reynolds number effects in a turbulent pipe flow for low to moderate Re," Phys. Fluids, Vol.9(11), pp.3398-3409.

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2001, Wagner, C., Huttl, T.J. and Friedrich, R., "Low-Reynolds-number effects derived from direct numerical simulations of turbulent pipe flow," Comput. Fluids, Vol.30, pp.581-590.

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1995, Akselvoll, K. and Moin, P., "Large eddy simulation of turbulent confined coannualar jets and turbulent flow over a backward facing step," Technical Report TF-63, Department of Mechanical Engineering, Stanfort University.
1991, Germano, M., Piomelli, U., Moin, P. and Cabot, W.H., "A dynamic subgrid-scale eddy viscosity model," Phys. Fluids A, Vol.3(7), pp.1760-1765.

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1992, Lilly, D.K., "A proposed modification of the Germano subgrid-scale closure method," Phys. Fluids A, Vol.4(3), pp.633-635.

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1996, Akselvoll, K. and Moin, P., "An efficient method for temporal integration of the Navier-Stokes equation in confined axisymmetric geometries," J. Comput. Phys. Vol.125, pp.454-463.

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1985, Kim, J. and Moin, P., "Application of a fractional-step method to incompressible Navier-Stokes equations," J. Comput. Phys. Vol.59, pp.308-323.

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1987, Kim, J., Moin, P. and Moser, R., "Turbulence statics in fully developed channel flow at low Reynolds number," J. Fluid Mech., Vol.177, pp.133-166.

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1993, Piomelli, U., "High Reynolds number calculations using the dynamic subgrid-scale stress model," Phys. Fluids A, Vol.5(6), pp.1484-1490.

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1999, Moser, R.D., Kim, J. and Mansour, N.N., "Direct numerical simulation of turbulent channel flow up to $Re_{\iota}$ 590," Phys. Fluids, Vol.11(4), pp.943-945.

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1991, Lyons, S.L., Hanratty, T.J. and McLaughlin, J.B., "Large-scale computer simulation of fully developed turbulent channel flow with heat transfer," Int. J. Numer. Methods in Fluids, Vol.13, pp.999-1028.

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1984, Moser, R.D. and Moin, P., "Direct numerical simulation of curved channel flow," Technical Report Technical Memorandum 85974, NASA/Ames Research Center.
1996, Liu, J., Piomelli, U. and Spalart, P.R., "Interaction between a spatially growing turbulent boundary layer and embedded streamwise vortices," Fluid Mech., Vol.326, pp.151-179.

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