[논문]Large-Eddy Breakup Device가 수중운동체의 저항에 미치는 영향

김준석

doi:10.9766/kimst.2019.22.6.773

Large-Eddy Breakup Device가 수중운동체의 저항에 미치는 영향
Influence of a Large-Eddy Breakup Device on Drag of an Underwater Vehicle 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.6, 2019년, pp.773 - 783

김준석 (국방과학연구소 해양기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical analysis of a turbulent flow with a 'large-eddy breakup device(LEBU)' was performed to investigate the influence of the device on the drag of underwater vehicle using commercial CFD code, FLUENT. In the present study, the vehicle drag was decomposed to skin-friction coefficient(Cf) and pressure coefficient(Cp). The variation of the vehicle Cf and Cp were observed with changing location of the device and Reynolds number. As a result, the device decreased the vehicle Cf because it suppressed the turbulent characteristics behind the device. The larger Reynolds number, the higher reduction effect when the device was placed in front part of, and near the vehicle. On the other hand, the device increased/decreased the vehicle Cp with increasing/decreasing turbulent kinetic energy at recirculating flow region behind the vehicle. The total drag change by the device was caused by Cp rather than Cf.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of computational domain
그림 Fig. 2. Grid dependency test on the vehicle surface
표 Table 1. Grid information near the underwater vehicle
그림 Fig. 3. Grid configuration near the underwater vehicle
그림 Fig. 4. Schematic diagram of position of LEBU
표 Table 2. Parametric variables of this study
$Fig. 5. <TEX>$\overline{C}$</TEX>f changes due to the location of LEBU according to Re$ 그림 Fig. 5. $\overline{C}$_f changes due to the location of LEBU according to Re
그림 Fig. 6. Comparison of C_f profiles when x_L/L_v = 0.375 and y_L/R_v = 0.1 according to Re
그림 Fig. 7. Comparison of reynolds shear stress profile along the y-direction when x_L/L_v = 0.375 and y_L/R_v = 0.1 where maximum C_f reduction occurred according to Re
그림 Fig. 8. Comparison of C_f profiles by varying location of LEBU at Re = 49761
$Fig. 9. <TEX>$\overline{C}$</TEX>f changes due to the location of LEBU according to Re$ 그림 Fig. 9. $\overline{C}$_f changes due to the location of LEBU according to Re
$Fig. 10. <TEX>$\overline{C}$</TEX>p, LE changes due to the location of LEBU according to Re$ 그림 Fig. 10. $\overline{C}$_{p, LE} changes due to the location of LEBU according to Re
$Fig. 11. <TEX>$\overline{C}$</TEX>p,TE changes due to the location of LEBU according to Re$ 그림 Fig. 11. $\overline{C}$_p,TE changes due to the location of LEBU according to Re
그림 Fig. 12. Normalized k at recirculating region behind the trailing edge of the underwater vehicle when Re = 199043.
$Fig. 13. Scatter plot between <TEX>$\overline{C}$</TEX>p, TE//<TEX>$\overline{C}$</TEX>p and normalized k.$ 그림 Fig. 13. Scatter plot between $\overline{C}$_{p, TE/}/$\overline{C}$_p and normalized k.
$Fig. 14. <TEX>$\overline{C}$</TEX>d changes due to the location of LEBU according to Re$ 그림 Fig. 14. $\overline{C}$_d changes due to the location of LEBU according to Re
그림 Fig. 15. Change in overall F_x of the system due to the location of LEBU according to Re

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구의 목적은 전산유체역학을 이용하여 수중에서 움직이는 운동체(underwater vehicle)에 LEBU를 설치함으로 인해 변화하는 주유동방향으로의 항력을 관찰하는 것이다. 여기서 항력은 전단응력으로 인한 표면마찰과 압력으로 인한 형상저항으로 나누어 분석된다.

제안 방법

LEBU의 위치 변화에 따른 수중운동체의 저항을 분석하고자 설치 위치를 x- 및 y-방향에 대하여 변화시켜가며 계산을 수행했다. Table 2는 본 계산에서 수행될 LEBU의 머리 부분의 x- 및 y-방향의 위치(x_L, y_L)를나타내고 있다.
15는 LEBU의 저항을 고려했을 때변화하는 전체 시스템의 저항을 나타내고 있다. LEBU의 저항을 함께 고려하는 경우 힘이 작용하는 면적이 증가하기 때문에 무차원화된 #를 통한 비교 가 어려우므로, 여기서는 무차원화되지 않은 x-방향의힘(Fx)을 직접 비교하였다. Fig.
계산을 위한 격자는 사변형(quadrilateral) 격자로 구성하였다. 본 계산을 수행하기에 앞서 해석 결과의 격자 의존성을 검증하기 위해, 대조군으로 이용될 LEBU가 없는 경우에 대하여 4가지 격자 구성에 대한 예비 해석을 진행하였다. 4가지 case에 대해 수중운동체 표면에 설정된 격자 수, 첫 번째 격자 간격 및 표면 근방에서 수직한 방향으로의 격자 간격 증가 비율에 대한 정보를 Table 1에 표기하였다.
계산 영역의 윗 부분은 자유흐름 경계조건을 부여하기 위해 대칭 경계조건을 부여하였다. 수중운동체와 LEBU의 표면은 점착 조건 (no-slip)으로 설정하였으며, 수중운동체의 중심축을 기준으로 선대칭을 이루므로 중심축에 대하여 대칭 경계조건을 부여하였다. 계산에 사용되는 작동유체는 상온의 물(H₂O) 특성을 부여하였다.
유동의 입구 경계조건으로는 x-방향으로의 자유흐름 속도(U∞)를 부여함과 동시에 1 %의 난류 강도를 설정 하였다.
지금까지 본 연구는 LEBU에 의해 변화하는 수중운 동체의 저항에 대하여 LEBU의 위치 및 Re가 변화할 때 #와 #의 변화가 어떻게 달라지는지에 대하여 분석하였다. C_f의 경우 LEBU 후방에서의 레이놀즈 전단응력이 억제됨에 따라 감소됨을 확인했으며, #의 경우 수중운동체 후방의 재순환영역에서 발생하는 k값의 증감에 따라 변화함을 확인했다.
)를 부여함과 동시에 1 %의 난류 강도를 설정 하였다. 출구 경계조건은 노이만 경계조건을 부여하고자 outflow로 설정하였다. 계산 영역의 윗 부분은 자유흐름 경계조건을 부여하기 위해 대칭 경계조건을 부여하였다.

대상 데이터

수중운동체와 LEBU의 표면은 점착 조건 (no-slip)으로 설정하였으며, 수중운동체의 중심축을 기준으로 선대칭을 이루므로 중심축에 대하여 대칭 경계조건을 부여하였다. 계산에 사용되는 작동유체는 상온의 물(H₂O) 특성을 부여하였다.

이론/모형

레이놀즈 응력항에 대한 난류 모델링은 비슷한 형상의 수중운동체의 저항 모사가 실험 결과와 가장 비슷하다고 알려진 2-방정식 모델 중의 하나인 k ― ω SST(Shear Stress Transport) 모델을 채택하였다[11].
본 연구에서 유동 해석에 사용된 소프트웨어는 상용 유동해석 프로그램인 Ansys FLUENT를 사용하였다. 유동은 비압축성 정상상태로 가정하며, 지배방정 식으로는 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정 식을 채택하였다.
7에 표시 하였다. 본 연구에서는 레이놀즈 전단응력을 직접 계산하기 어려우므로, 식 (7)의 Boussinesq eddy viscosity assumption을 통해 계산하였다.
본 연구에서 유동 해석에 사용된 소프트웨어는 상용 유동해석 프로그램인 Ansys FLUENT를 사용하였다. 유동은 비압축성 정상상태로 가정하며, 지배방정 식으로는 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정 식을 채택하였다. 레이놀즈 응력항에 대한 난류 모델링은 비슷한 형상의 수중운동체의 저항 모사가 실험 결과와 가장 비슷하다고 알려진 2-방정식 모델 중의 하나인 k ― ω SST(Shear Stress Transport) 모델을 채택하였다^[11].

성능/효과

LEBU의 저항을 함께 고려하는 경우 힘이 작용하는 면적이 증가하기 때문에 무차원화된 #를 통한 비교 가 어려우므로, 여기서는 무차원화되지 않은 x-방향의힘(Fx)을 직접 비교하였다. Fig. 14와 15의 데이터를 비교하면 LEBU를 포함했을 경우 전체 저항 변화는 조건별로 다르지만 최소 3 %에서 최대 6 % 가량 증가한 것이 확인되었다. 주목할 점은 Re가 높고 LEBU 가 수중운동체 꼬리에 위치할 경우 LEBU를 고려하더 라도 저항 저감 효과를 기대할 수 있다는 것이며, 저감 수치는 약 5 %로 계산되었다.
LEBU의 전방 영역을 살펴보면, Re가 낮을 수록 C_f의 최대 감소량 및 C_f의 감소 효과 범위가 넓어지는 것을 알 수 있다. LEBU의 후방 영역을 살펴 보면 C_f의 최대 감소량은 Re가 낮을수록 크지만 감소 효과 범위는 반대로 Re가 높을수록 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, C_f가 회복된 지점(Re가 49761인경우 x/L_v = 0.
결과적으로 LEBU 후방에서의 Cf 감소 이유는 레이놀즈 전단응력의 감소로 인한 난류성분의 기여도 감소 때문이며, 이는 기존 연구결과와 잘 일치하는 결과이다[9].
C_f의 경우 LEBU 후방에서의 레이놀즈 전단응력이 억제됨에 따라 감소됨을 확인했으며, #의 경우 수중운동체 후방의 재순환영역에서 발생하는 k값의 증감에 따라 변화함을 확인했다. 결과적으로 두변수의 변화는 결국 LEBU로 인해 난류 특성이 변화 하는 것과 직접적인 연관이 있음을 확인할 수 있었다.
결론적으로 # 감소에 대하여 Re가 높아질수록 LEBU 전방 영역의 기여도가 낮아지고 반대로 후방 영역의 기여도가 높아지는 것을 확인할 수있다.
이는 이후 ‘LEBU(large-eddy breakup device)’로 명명되어 LEBU의 형상 및 위치를 바꿔가며 항력 감소에 대한 가능성에 관해 많은 연구가 진행되었다^[3-5]. 그 결과 LEBU는 벽의 표면마찰 감소에 효과적이나, LEBU 자체의 형상저항을 포함한 전체 시스템의 항력은 오히려 증가한다는 결론에 도달하였다^[4,5].
14와 15의 데이터를 비교하면 LEBU를 포함했을 경우 전체 저항 변화는 조건별로 다르지만 최소 3 %에서 최대 6 % 가량 증가한 것이 확인되었다. 주목할 점은 Re가 높고 LEBU 가 수중운동체 꼬리에 위치할 경우 LEBU를 고려하더 라도 저항 저감 효과를 기대할 수 있다는 것이며, 저감 수치는 약 5 %로 계산되었다.

후속연구

본 연구에서는 지지구 조물을 고려한 계산이 되지 않았으므로, 지지구조물이 저항에 미치는 영향을 고려하는 경우 저항 저감 효과를 기대하기 어려울 수도 있다. 3차원 형상을 고려한 LEBU와 수중운동체의 저항 변화에 대해서는 추가적인 연구가 필요하다.
과거에는 LEBU 후방에서의 #감소 효과 및 그 이유를 분석하는 연구가 중심이었으나, 본 연구는 LEBU로 인한 # 변화 및 이유를 분석해야 할 필요가 있음을 이야기하고 있다. 또한 LEBU에서 후방으로 멀리 떨어진 지역에서는 난류 특성이 기존 보다 강화되었다는 점에서 이를 이해하기 위한 난류 구조적 관점에서의 연구를 추가적으로 진행할 필요가 있다. 이와 같이 LEBU에 대한 연구가 활발히 이루어 진다면 LEBU를 통한 전체 저항 감소는 충분한 가능 성이 있을 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유동 제어를 에너지 투입 유무에 따라 구분하라	항력을 감소시 키는 것은 경제적으로 상당한 비용 절감을 달성할 수있기에, 오늘날까지 공학자들은 항력 저감을 위한 유동 제어(flow control) 기술을 개발해오고 있다[1] . 유동 제어는 에너지의 투입 유무에 따라 능동 제어(active control)와 수동 제어(passive control)로 구별된다.
	유동 제어(flow control) 기술을 개발해오는 이유는?	층류 유동(laminar flow)에 비해 난류 유동(turbulence flow)은 물체에 높은 항력을 일으키며, 이는 공학적 응용에서 효율을 낮추는 원인이 된다. 항력을 감소시 키는 것은 경제적으로 상당한 비용 절감을 달성할 수있기에, 오늘날까지 공학자들은 항력 저감을 위한 유동 제어(flow control) 기술을 개발해오고 있다[1] . 유동 제어는 에너지의 투입 유무에 따라 능동 제어(active control)와 수동 제어(passive control)로 구별된다.
	LEBU는 무엇을 말하는가?	수동 제어 방법의 하나로써, 난류 조절(turbulence manipulation)을 목적으로 벽에서 떨어진 유동 경계 외층에 얇은 직사각형 장비를 설치하는 경우 벽의 표면 마찰(skin friction)을 감소시킬 수 있음이 발견되었다[2] . 이는 이후 ‘LEBU(large-eddy breakup device)’로 명명되어 LEBU의 형상 및 위치를 바꿔가며 항력 감소에 대한 가능성에 관해 많은 연구가 진행되었다[3-5] .

참고문헌 (11)

J. Kim, "Physics and Control of Wall Turbulence for Drag Reduction," Philos. Trans. R. Soc., A 369, 1396-1411, 2011.

상세보기
T. C. Corke, Y. Guezennec, and H. M. Nagib, "Modification in Drag of Turbulent Boundary Layers Resulting from Manipulation of Large-Scale Structures," NASA-CR-3444, 1981.
A. M. Savill and J. C. Mumford, "Manipulation of Turbulent Boundary Layers by Outer-Layer Devices: Skin-Friction and Flow-Visualization Results," J. Fluid Mech. 191, 389-418, 1988.

상세보기
A. Sahlin, A. V. Johansson, and P. H. Alfredsson, "The Possibility of Drag Reduction by Outer Layer Manipulators in Turbulent Boundary Layers," Phys. Fluids 31, 2814, 1988.

상세보기
C. Chin, R. Orlu, J. P. Monty, N. Hutchins, A. Ooi, and P. Schlatter, "Simulation of a Large-Eddy-Break-Up Device(LEBU) in a Moderate Reynolds Number Turbulent Boundary Layer," Flow, Turbul. Combust. 98, 445-460, 2017.

상세보기
J. Kim, P. Moin, and R. Moser, "Turbulence Statistics in Fully Developed Channel Flow at Low Reynolds Number," J. Fluid Mech. 177, 133-166, 1987.

상세보기
K. Fukagata, K. Iwamoto, and N. Kasagi, "Contribution of Reynolds Stress Distribution to the Skin Friction in Wall-Bounded Flows," Phys. Fluids 14(11), L73-L76, 2002.

상세보기
M. Yoon, J. Ahn, J. Hwang, and H. J. Sung, "Contribution of Velocity-Vorticity Correlations to the Frictional Drag in Wall-Bounded Turbulent Flows," Phys. Fluids 28, 081702, 2016.

상세보기
J. -S. Kim, J. Hwang, M. Yoon, J. Ahn, and H. J. Sung, "Influence of a Large-Eddy Breakup Device on the Frictional Drag in a Turbulent Boundary Layer," Phys. Fluids 29(6), 065103, 2017.

상세보기
Y. F. Yao and N. D. Sandham, "Direct Numerical Simulation of Turbulent Trailing-Edge Flow with Base Flow Control," AIAA Journal, 40(9), 1708-1716, 2002.

상세보기
M. -J. Kim and K. -C. Lee, "Drag Prediction of an Axisymmetric Underwater Vehicle with Bluff Afterbody using CFD," KIMST Annual Conference Proceedings, 2009.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증