[논문]다공성 방풍벽의 3차원 유동특성

김성훈; 김일현; 장영배

doi:10.5855/energy.2019.28.4.019

다공성 방풍벽의 3차원 유동특성
A Study of Three Dimensional Flow Characteristics near the Porous Wall 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.28 no.4, 2019년, pp.19 - 28

김성훈 (계명대학교 기계자동차공학전공) , 김일현 (대구도시철도공사) , 장영배 (오클라호마주립대학교)

초록
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수직으로 위치한 다공성의 방풍벽을 통과해 흐르는 공기의 난류 유동특성을 해석하였다. 방풍벽은 다수의 원형 단면으로 구성된 공극으로 구성하고, 다공도는 공극의 직경으로 조절하였다. 대부분의 결과는 FLUENT를 이용한 해석결과로 3차원 다공벽 주위의 유동특성을 제시하였으며, 방풍벽에 형성되는 압력분포를 통해 방풍벽의 항력계수를 제시하였다. 항력계수는 레이놀즈 수 및 다공도에 의해 정의되나 레이놀즈 수의 영향은 크지 않은 반면에 다공도에 대한 영향은 매우 크다. 3차원 공극을 갖는 방풍벽의 항력계수를 다공도의 함수로 제시하여 2차원 결과와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study has been done on the three dimensional turbulent flow characteristic near the porous wall. The porous holes are considered by penetrating the wall in regular arrangement, and porosity is controlled by diameter of holes. Flow characteristics near the three dimensional porous wall are compared with field test results and self-generated experimental results. FLUENT is employed for computational analysis on the effect of three dimensional porosity with flow and pressure characteristics. As a result, drag coefficient is defined and compared for three dimensional effect. The drag coefficient is mostly a function of porosity, whereas the effect of Reynolds number is minimal, and its correlation is presented in terms of three dimensional porosity.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Comparison between Field Test(2) and Computational Results
그림 Fig. 2. Schematics of calculation domain of a typical module
그림 Fig. 3. Comparison of Experimental and Computational Average Velocity Distributions in the vertical direction behind Porous Wall for Various Porosity: Inlet velocity (U_o=5m/s)
그림 Fig. 4. Typical variation of streamlines with different wall porosities (U_o=30m/s)
표 Table 1. Effect of inlet velocity and porosity on the recirculation bubble
그림 Fig. 5. Effect of porosity on the streamwise distribution of velocity ratio at different vertical positions (U_o=30m/s)
그림 Fig. 6. Typical velocity distributions in the horizontal direction at the mid-height(H/2) of wall with different porosities(U_o=20m/s)
그림 Fig. 7. Effect of porosity on the pressure distribution near the porous wall (U_o=30m/s)
그림 Fig. 8. Effect of Reynolds number and porosity on Drag Coefficient
그림 Fig. 9. Effect of porosity on Drag Coefficient
그림 Fig. 10. Comparison of Drag Coefficients from Correlation(equation 11) and 2-D Results(8)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 다공성방풍벽을 원형으로 단순화하고 표준화하여 다공성을 형성하고 이로 구성된 방풍벽의 3차원 해석을 수행하여 후류부의 유동특성(속도분포와 난류강도) 등을 검토하고 방풍벽에 부가되는 항력계수를 구해 3차원 효과를 정량화하는 실험식을 제시하여 일반화하고자 한다.
실험에 대한 자세한 내용은 자유유동의 속도에 대해 속도분포에 대해 참고문헌(3)에 자세히 서술하였다. 무엇보다 본 속도분포의 비교의 목적은 수치해석 결과와 풍동실험 결과를 비교하므로 실험과 해석의 타당성을 확보하는데 있다. 앞서 언급한 현장시험결과와의 비교를 통해 해석방법의 타당성을 확보하였을 뿐만 아니라 Fig.

가설 설정

전술한 바와 같이 경계층 내의 속도, k 및 ∊의 분포들은 식 (7)과 같이 적용하였다. 참고로 방풍벽 상류의 입구길이(즉, 경계층 두께) 및 방풍벽의 두께 및 입구의 난류강도 등이 결과에 영향을 미치는 파라메터라고 생각되나 본 연구에서는 연구목적을 고려하여 이들 파라메터의 변화에 대한 영향은 고려하지 않았다.

제안 방법

앞서 언급된 계산영역과 관련 경계조건을 모두 만족하기 위해서는 전체 영역을 고려한 3차원 해석이 필요하나 이는 상당한 계산노력이 필요하게 됨으로 본 연구에서는 z방향으로 유동이 무한반복된다고 생각하여 이중 한 모듈만 택하여 3차원해석을 수행하였다. z방향으로 볼 때 입출구의 조건, 상하부의 조건이 같고 다공벽의 원형유공이 z방향으로 반복되므로 계산영역을 원형유공을 포함한 모듈이 z방향으로 반복됨에 따라 계산영역으로 Fig. 2와 같이 한 모듈을 택하고 양 측면을 제외한 모든 경계조건을 똑 같이 유지시키고 한 모듈(폭 5mm)을 택하고 그 측면에 대칭 경계조건을 부가하였다. 이는 한 모듈을 기준으로 기하학적 대칭과 유동학적 대칭이 기대되므로 타당한 방법으로 생각된다.
이하를 만족할 때 수렴을 선언하였다. 더불어 계산과정 중 가장 변화가 심한 다공벽 후류의 2지점을 선택하여 속도와 난류에너지의 값의 변화를 모니터하여 수렴의 타당성을 확인하였다.
먼저 본 연구에서 수행한 해석결과의 타당성을 좀 더 객관적으로 제시하기 위해 참고문헌과 같이 실험(3)을 수행하여 국소지점의 속도를 정량적, 정성적으로 측정하여 비교하였다. Fig.
방풍벽 주위의 유동 특성과 방풍벽에 가해지는 항력계수를 일반화하기 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 난류유동의 경우를 해석하였으며 가장 일반적인 난류모델(k-e)을 사용하고 FLUENT를 이용하여 해석하였다.
시험을 통해 검증된 이 식은 단일 및 다중 방풍벽을 설계할 때 방풍벽의 성능을 미리 예측할 수 있다. 방풍벽의 다공도를 형성하기 위한 모양은 수직판(upright), 수평판(hotizontal), 그리드(grid), 스크린(screen), 원형(hole)의 다공질(porosity)등 서로 다른 다공질 모형을 가지고 실험과 계산을 수행한 바 각각의 실험결과를 비교하기 어려우며, 앞서 언급된 대부분의 계산결과는 2차원으로 수행하여 제시하거나 그들의 실험결과와 비교하고자 하였다.
실제 방풍벽의 총길이는 25m이며 하나의 슬레이트(나무 조각)를 작은 철사로 묶어 약 50%의 다공도를 갖는 방풍벽을 대상으로 하였다. 본 비교목적의 해석 모델은 슬레이트를 반으로 나누어서 좌우에 배치하여 대칭조건을 주고, 가운데는 빈 공간으로 하여 다공도를 50%로 표현했다. 수치해석을 위한 해석영역은 방풍벽을 기준으로 상류부에 30H 및 하류부에 50H를 설정하였으며 높이는 30H를 택하였다.
본 연구에 앞서 다공성 벽 후류부의 3차원 수치해석 결과의 타당성을 검토하기위해 Bradley and Mulhean(2)가 현장에서 관측한 실험결과를 3차원 수치해석을 수행하여 그 현장실험결과를 비교하였다. 실제 방풍벽의 총길이는 25m이며 하나의 슬레이트(나무 조각)를 작은 철사로 묶어 약 50%의 다공도를 갖는 방풍벽을 대상으로 하였다.
앞서 언급된 계산영역과 관련 경계조건을 모두 만족하기 위해서는 전체 영역을 고려한 3차원 해석이 필요하나 이는 상당한 계산노력이 필요하게 됨으로 본 연구에서는 z방향으로 유동이 무한반복된다고 생각하여 이중 한 모듈만 택하여 3차원해석을 수행하였다. z방향으로 볼 때 입출구의 조건, 상하부의 조건이 같고 다공벽의 원형유공이 z방향으로 반복되므로 계산영역을 원형유공을 포함한 모듈이 z방향으로 반복됨에 따라 계산영역으로 Fig.
입구에서 자유유동의 속도는 4가지 서로 다른 크기의 속도를 고려하였다. 입구속도는 저속, 중속 및 고속 유동을 대표할 수 있는 크기를 택하였으며 각각 5m/s, 10m/s, 20m/s, 30m/s의 경우에 대해 수행하였다. 한편 입구의 난류강도(turbulence intensity)는 0.
방풍벽 내부의 다공성을 나타내는 다공의 형상은 원형으로 고려하였다. 전체적으로 격자는 다공벽 전후영역을 고 정렬격자로 구성하였으며 벽의 다공원형실린더 및 그 전후에는 비정렬격자로 구성하였다. 전체적인 격자의 수는 최대 약 50만개로 구성하였다.
지금까지 유동특성은 방풍벽 후류부의 3차원 유동 중 수직단면(x-y 단면)에 대한 2차원 유동을 검토하였다. 대부분의 해석은 방풍벽의 2차원 유공에 대한 유동에 대해 언급되었다.
출구는 노이만(Neumann) 조건을 적용하였으며, 입구는 자유유동과 경계층으로 속도구배가 없는 경계조건을 부여함으로써 자유유동의 조건을 같도록 하였다.
다공벽 후류의 유동장 특성은 자유유동의 속도의 크기와 거의 무관하고 직접적으로 다공도에 따라 유동특성이 형성됨으로 방풍벽에 걸리는 항력계수도 자유유동에 따른 레이놀즈 수에는 거의 무관하며 오직 다공도의 영향을 크게 받고 있음을 알 수 있다. 한편 항력계수는 다공성에 직접적으로 강한 함수로 나타났으므로 다공성이 항력계수에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig. 9.와 같이 3가지 서로 다른 속도에 대해 항력계수를 비교하였다. 그림에서 보듯이 항력계수는 레이놀즈 수의 영향이 크지 않지만 다공성에 대해서는 다공성이 커질수록 급격히 감소함을 알 수 있다.
수치해석은 난류유동의 경우를 해석하였으며 가장 일반적인 난류모델(k-e)을 사용하고 FLUENT를 이용하여 해석하였다. 해석범위는 방풍벽 목적에 사용되는 5m/s ~ 30m/s 범위의 자유유동을 다루고, 다공도를 0%에서부터 70%까지 고려하였다.

대상 데이터

본 비교목적의 해석 모델은 슬레이트를 반으로 나누어서 좌우에 배치하여 대칭조건을 주고, 가운데는 빈 공간으로 하여 다공도를 50%로 표현했다. 수치해석을 위한 해석영역은 방풍벽을 기준으로 상류부에 30H 및 하류부에 50H를 설정하였으며 높이는 30H를 택하였다. 해석영역의 입구는 속도를 다음 식으로 설정하여 대기속도분포를 표현할 수 있는 대수속도분포, k 및 e 값을 입력하였다.
본 연구에 앞서 다공성 벽 후류부의 3차원 수치해석 결과의 타당성을 검토하기위해 Bradley and Mulhean(2)가 현장에서 관측한 실험결과를 3차원 수치해석을 수행하여 그 현장실험결과를 비교하였다. 실제 방풍벽의 총길이는 25m이며 하나의 슬레이트(나무 조각)를 작은 철사로 묶어 약 50%의 다공도를 갖는 방풍벽을 대상으로 하였다. 본 비교목적의 해석 모델은 슬레이트를 반으로 나누어서 좌우에 배치하여 대칭조건을 주고, 가운데는 빈 공간으로 하여 다공도를 50%로 표현했다.
전체적으로 격자는 다공벽 전후영역을 고 정렬격자로 구성하였으며 벽의 다공원형실린더 및 그 전후에는 비정렬격자로 구성하였다. 전체적인 격자의 수는 최대 약 50만개로 구성하였다. 특히 정렬격자는 격자의 비가 1.

이론/모형

3차원 유공으로 구성된 다공성의 방풍벽 후류부의 유동을 해석하기 위해 연속방정식과 3방향의 운동량방정식을 기초로 한 RANS(Reynolds Average Navier-Stokes)식을 사용하였다. 난류모델은 표준 k-e 방정식을 적용하였으며
k- ε 모델을 사용한 난류 유동장 해석중 벽에서는 일반적으로 광범위하게 사용되는 벽함수(Wall function) 처리방법을 사용하였다.
방풍벽 주위의 유동 특성과 방풍벽에 가해지는 항력계수를 일반화하기 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 난류유동의 경우를 해석하였으며 가장 일반적인 난류모델(k-e)을 사용하고 FLUENT를 이용하여 해석하였다. 해석범위는 방풍벽 목적에 사용되는 5m/s ~ 30m/s 범위의 자유유동을 다루고, 다공도를 0%에서부터 70%까지 고려하였다.
Bradley와 Mulhean(2), Raine과 Stevenson(4), Ranga Raju 등(5), Dong 등(6)은 방풍벽 후류의 속도장과 난류 특성을 현장관측이나 실험을 통해 정성적인 결과를 제시하였으며, 수치해석으로는 Hwang and Takle(7), 정운용과 박태규 등(8)에 의해 Navier-Stokes 방정식과 여러 난류모델을 적용하여 방풍벽 후류의 복잡한 유동에 관한 연구가 이루어져 왔다. 이 밖에 방풍벽의 감속효과를 규명하기 위해 방풍벽 후류에 위치한 특정형태(저탄장을 모사)에 대한 영향분석은 임희창과 이상준(9)에 의해 유동해석이 수행되었다. 또한 Cong 등(10)은 유동해석을 통해 실제 저탄장에 설치하려는 방풍벽 설치 방향을 모의하여 사방으로 다 막힌 설치가 최적임을 보였다.

성능/효과

(2) 다공성이 3차원 형상을 가지고 있음에 따라 수평(혹은 수직)방향의 속도분포가 일정하지 않다. 이러한 속도차이는 흐름이 진행함에 따라 점차적으로 확산되어 거의 일정한 속도분포를 나타나게 된다.
(3) 방풍벽에 생성되는 항력계수는 3차원 해석결과를 이용한 식을 얻을 수 있었으며 2차원의 결과와 상당한 차이를 보였다. 본 연구의 3차원 해석결과를 상당히 정확하게 예측할 수 있었으며 유동특성과 유사하게 항력계수는 레이놀즈 수에 거의 무관하며 다공도의 함수로 식 (11)과 같이 나타낼 수 있다.
계산은 SIMPLE 방법의 반복계산으로 수행하였으며 전체영역에서 수렴조건은 연속식에는 1x10^-6이며 동시에 운동량 및 k-e식에 대해서는 상대오차가 1x 10^-3이하를 만족할 때 수렴을 선언하였다. 더불어 계산과정 중 가장 변화가 심한 다공벽 후류의 2지점을 선택하여 속도와 난류에너지의 값의 변화를 모니터하여 수렴의 타당성을 확인하였다.
5, Table 1) 방풍벽 후류에 형성된 유동장으로 설명되어 질수 있다. 다공벽 후류의 유동장 특성은 자유유동의 속도의 크기와 거의 무관하고 직접적으로 다공도에 따라 유동특성이 형성됨으로 방풍벽에 걸리는 항력계수도 자유유동에 따른 레이놀즈 수에는 거의 무관하며 오직 다공도의 영향을 크게 받고 있음을 알 수 있다. 한편 항력계수는 다공성에 직접적으로 강한 함수로 나타났으므로 다공성이 항력계수에 미치는 영향을 파악하기 위해 Fig.
이러한 일반적인 형상은 방풍벽의 다공도가 증가함에 따라 전면에 형성되는 정체압은 감소되며 후면의 박리기포의 강도는 점차적으로 낮아져 후면에 형성되는 저압은 점차적으로 상승하게 된다. 따라서 방풍벽 전후에 형성되는 압력차이는 방풍벽의 다공도가 증가할수록 점차적으로 감소하여 전체적으로 압력에 의한 항력을 감소시킬 것이다. 이와 같은 압력에 의한 저항을 식 (9)과 같이 항력계수로 정의하였다.
이와 같은 감속효과는 x/H가 약 40이전까지 유지되나 이보다 하류에서는 수직방향의 속도감속률은 다공도와 무관하게 거의 10~40%의 일정한 감속효과를 갖는다. 방풍벽 후류부에 최소속도는 다공도 0%에서 음의 값(재순환영역)까지 떨어지다 다공도가 증가할수록 최소 속도는 증가하여 다공도 50% 이상에서는 흐름방향의 속도를 나타내며 최소 속도를 보이는 위치는 Table 1에 설명한 박리기포의 중심위치의 변화와 같음을 알 수 있다.
다공벽 후류부의 유동특성은 수직벽으로 인한 박리 유동특성과 다공구멍을 지나는 통과류의 특성을 모두 나타낸다. 유동특성을 나타내는 주류부, 유동박리 등의 특성은 레이놀즈 수에 거의 무관하게 일정한 특성을 나타내며, 다공도에 따라 유동패턴이 변한다.
5는 고정된 수직 위치(총 6위치)에서 자유유동(30m/s)에 대해 흐름방향의 국소유동의 속도비(U/U₀)를 나타낸 것이다. 전체적으로 방풍벽 후류부에서 속도는 다공도가 작을수록 급격히 감속되며 다공도가 커질수록 속도는 점차적으로 증가하여 감속능력이 작아짐을 알 수 있다. 다공도가 없는 벽(막힌 벽)의 경우 최대 및 최소 속도차이는 거의 1.
6(b)와 같이 다공도가 70%의 경우 수평방향으로의 확산이 작아 벽에서 흐름방향의 3차원 영향은 거의 1H~2H까지 계속된 후 속도분포가 일정하게 됨을 볼 수 있다. 전체적으로 앞서 나타난 현상은 자유유동의 속도와 거의 무관하여 속도가 5m/s에서 30m/s에 이를 때까지 다공도에 따른 3차원 영향 지속됨을 알 수 있었다. 따라서 자유유동의 크기와 무관하게 다공성 후류부의 유동은 2차원의 유동과 크게 다르며 3차원 영향을 반드시 고려되어야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	방풍벽의 연구의 목적은 무엇인가?	공학적인 문제에서 흐름방향에 차단벽이 있는 경우에 대표적인 예는 방풍벽(wind fence)이다. 방풍벽의 연구는 주로 (1)농공업 혹은 도로상의 방풍벽 후류부의 속도감속을 목적으로 하거나 (2)방풍벽 후류부에 위치한 물질 비산을 최소화하기 위해 난류강도가 가장 적은 위치선정을 목적으로 한다. 방풍벽은 대표적으로 수직으로 완전히 막힌 것을 사용하는 경우와 혹은 벽에 다공도를 형성시켜 후류의 유동특성을 변화시켜 목적에 맞게 사용하기도 한다.
	다공성 방풍벽에 관한 연구는 어떻게 구분할 수 있는가?	방풍벽은 대표적으로 수직으로 완전히 막힌 것을 사용하는 경우와 혹은 벽에 다공도를 형성시켜 후류의 유동특성을 변화시켜 목적에 맞게 사용하기도 한다. 다공성 방풍벽에 관한 연구는 크게 현장관측, 풍동실험, 수치해석으로 구분할 수 있다. 이러한 연구는 주로 다공도와 방풍벽 후류속도 및 난류강도의 변화에 대해 그 결과를 제시하여 왔다.
	다공성 방풍벽에 관한 연구는 어떤 결과를 제시하였는가?	다공성 방풍벽에 관한 연구는 크게 현장관측, 풍동실험, 수치해석으로 구분할 수 있다. 이러한 연구는 주로 다공도와 방풍벽 후류속도 및 난류강도의 변화에 대해 그 결과를 제시하여 왔다. Bradley와 Mulhean(2), Raine과 Stevenson(4), Ranga Raju 등(5), Dong 등(6)은 방풍벽 후류의 속도장과 난류 특성을 현장관측이나 실험을 통해 정성적인 결과를 제시하였으며, 수치해석으로는 Hwang and Takle(7), 정운용과 박태규 등(8)에 의해 Navier-Stokes 방정식과 여러 난류모델을 적용하여 방풍벽 후류의 복잡한 유동에 관한 연구가 이루어져 왔다.

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저자의 다른 논문 :

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].

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