[논문]축 방향으로 나열된 관통홀을 구비한 원형 실린더 주위 유동

김지희; 채석봉; 김주하

doi:10.5407/jksv.2020.18.1.059

축 방향으로 나열된 관통홀을 구비한 원형 실린더 주위 유동
Flow around a circular cylinder with axially arranged holes 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.18 no.1, 2020년, pp.59 - 66

김지희 (Department of Mechanical Engineering, Korea National Institute of Science and Technology) , 채석봉 (Department of Mechanical Engineering, Korea National Institute of Science and Technology) , 김주하 (Department of Mechanical Engineering, Korea National Institute of Science and Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, we experimentally investigated the flow around a circular cylinder with axially arranged holes (AAH). The wind-tunnel experiment was performed at Re = 3.2 × 104 while varying the angle of attack (α) from 0° to 90°. At low α, the passive jet from the AAH pushes near wake to the downstream, increasing the wake formation length. On the other hand, at high α, blowing and suction through AAH occurs alternatively, rather decreasing the wake formation length. The passive jet generated by AAH can effectively control not only the wake where AAH is located, but also the wake between holes. As a result, the AAH reduce the drag on the cylinder up to 23.8% at low α but rather increase the drag at high α, as compared to that on a smooth cylinder.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. (a) Schematic front view of the circular cylinder with axially arranged holes (AAH). (b) Cross-sectional view of the cylinder with AAH through the center of a hole.
그림 Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup for the force measurement.
그림 Fig. 3. (a) Schematic diagram of the setup for the PIV measurement. (b) Location of two fields of view (FOV).
그림 Fig. 4. Variations of drag coefficient with respect to the angle of attack(α).
그림 Fig. 5. Normalized mean vorticity contours in FOV1 for (a) Smooth cylinder, and AAH cylinder at (b) α = 0°, (c) 10°, (d) 70°, and (e) 90°.
그림 Fig. 6. Definition of the wake formation length (L_f).
그림 Fig. 7. Variations of the normalized wake formation length with respect to the angle of attack.
그림 Fig. 8. Normalized mean vorticity contours in FOV2 for AAH cylinder at (a) α = 0°, (b) 10°, (c) 70°, and (d) 90°.
그림 Fig. 9. Instantaneous vorticity contour for (a) Smooth cylinder, and AAH cylinder at α=0° for (b) symmetric mode, (c) upper deflected mode, (d) lower deflected mode.
그림 Fig. 10. Instantaneous vorticity contour for AAH cylinder at α=0° in FOV2.
그림 Fig. 11. Instantaneous vorticity contour for AAH cylinder at α=70° in FOV1: (a), (b) and FOV2: (c), (d).

AI 본문요약
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문제 정의

. 따라서 본 연구에서는 축 방향으로 나열된 관통홀이 구비된 원형 실린더 주위 유동특성을 면밀히 살펴보고자 한다. 이를 위해 풍동실험을 통해 관통홀이 구비된 원형 실린더 주위 유동특성을 기본적인 원형 실린더와 비교하였으며, 다양한 유동 방향에 따른 유동 패턴 변화 또한 살펴보았다.
본 연구에서는 축 방향으로 배열된 관통홀이 설치된 원형 실린더 주위의 유동 특성을 살펴보았다. 이를 위해 풍동 실험을 통해 항력을 직접 측정하였고, 여러 유동 방향에 대한 관통홀의 효과를 규명하기 위해 관통홀의 받음각을 다양하게 바꿔가며 속도장을 측정하였다.

제안 방법

α=0°일 때 FOV1에서는 수동 제트유동이 임의의 방향으로 휘어지면서 양 옆의 전단층과 붙었다 떨어졌다를 반복하는 현상(flip-flop)을 관찰하였고, 이 현상은 FOV2에서는 나타나지 않았다.
풍동 윗 벽과 아랫 벽에는 유동의 벽면효과를 제거하기 위해 각 벽면에서 37 mm 떨어진 곳에 타원 형태의 선단을 가진 end plate를 설치하였다. End plate와 실린더 사이의 틈에 의한 유동 유출을 최소화하기 위해 endplate의 구멍은 실린더 표면과 닿지 않으면서 가능한 작게 설계하였다. 두 end plate 사이의 거리(L)는 416 mm이며, 이에 따른 실린더 모델의 종횡비(L/D)는 8.
FOV(Field of View)는 190 mm × 190mm 이고, one-quarter rule에 따라 이미지 사이의 시간 간격을 40μs로 설정하였다.
관통홀 실린더의 받음각에 따른 유동의 특성을 더 자세히 알아보기 위해 순간 와도장을 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 받음각을 0°에서 90°까지 10° 간격으로 변화시키며 실험을 진행하였다.
Szepessy and Bearman⁽¹⁵⁾에 따르면 두 end plate간의 거리가 5D에서 10D 사이에 있으면 종횡비에 따른 효과를 제거하기에 충분하다. 실린더 모델의 아래쪽 부분은 회전스테이지와 연결되어 있고, 회전스테이지는 로드셀(CAS BCL-3Ls)과 연결되어 있어 다양한 받음각에서의 항력을 측정할 수 있도록 설계되었다. 로드셀로부터 측정된 데이터는 증폭기와 A/D 변환기를 거쳐 PC로 보내져 분석된다.
본 실험 장치는 Nd:YAG 레이저, CCD카메라, Timing hub, 실린더 모델로 구성되고, 레이저 반사용 거울을 사용하여 실린더 모델의 그림자에 의해 레이저가 가려지는 현상을 줄였다. 이때, 레이저로부터 조사된 레이저평면과 거울에 반사된 레이저 평면이 동일 평면상에 위치하도록 하여 레이저 반사용 거울 사용에 따른 중복 영역 발생에 대한 오차를 최소화하였다. FOV(Field of View)는 190 mm × 190mm 이고, one-quarter rule에 따라 이미지 사이의 시간 간격을 40μs로 설정하였다.
본 연구에서는 축 방향으로 배열된 관통홀이 설치된 원형 실린더 주위의 유동 특성을 살펴보았다. 이를 위해 풍동 실험을 통해 항력을 직접 측정하였고, 여러 유동 방향에 대한 관통홀의 효과를 규명하기 위해 관통홀의 받음각을 다양하게 바꿔가며 속도장을 측정하였다. 낮은 받음각의 경우(0° ≤ α ≤ 60°), 관통홀로부터 생성되는 수동제트의 영향으로 후류 형성 길이가 길어졌으며, 이에 따라 매끈한 실린더에 대비하여 항력이 감소하였다.
따라서 본 연구에서는 축 방향으로 나열된 관통홀이 구비된 원형 실린더 주위 유동특성을 면밀히 살펴보고자 한다. 이를 위해 풍동실험을 통해 관통홀이 구비된 원형 실린더 주위 유동특성을 기본적인 원형 실린더와 비교하였으며, 다양한 유동 방향에 따른 유동 패턴 변화 또한 살펴보았다.
항력 측정과 더불어 받음각에 따른 다양한 유동특성을 살펴보기 위해 다양한 받음각(α = 0°,10°, 70°, 90°)에 대하여 속도장을 측정하였다.

대상 데이터

3(a)는 실린더 모델의 속도장 측정을 위해수행한 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry;PIV)의 개략도이다. 본 실험 장치는 Nd:YAG 레이저, CCD카메라, Timing hub, 실린더 모델로 구성되고, 레이저 반사용 거울을 사용하여 실린더 모델의 그림자에 의해 레이저가 가려지는 현상을 줄였다. 이때, 레이저로부터 조사된 레이저평면과 거울에 반사된 레이저 평면이 동일 평면상에 위치하도록 하여 레이저 반사용 거울 사용에 따른 중복 영역 발생에 대한 오차를 최소화하였다.
2는 실린더 모델에 작용하는 항력을 측정하기 위한 장치의 개략도이다. 본 실험은 최대풍속이 45m/s이며 폭 0.5m, 높이 0.5m, 길이 1.2m의 시험부를 가진 폐회로형 풍동에서 진행되었다. 본 실험장치의 차폐율은 10%이며 차폐효과를 보상하기 위해 Allen and Vincenti⁽¹³⁾, Dalton⁽¹⁴⁾등이 제안한 방법으로 측정 데이터를 보정하였다.
본 연구에서는 축 방향으로 배열된 관통홀을 구비한 실린더 모델과 매끈한 실린더 모델이 사용되었다. 실린더는 지름 (D) 50 mm, 높이 494 mm이며, CNC기계를 사용하여 ABS 수지로 만들어졌다. 실린더의 지름으로 무차원화한 관통홀의 지름(d_h / D)은 슬롯을 이용하여 수동제트를 구성했던 Gaoet al.

데이터처리

에러 벡터는 3×3 window의 표준 편차의 3배보다 큰 벡터를 제거하는 로컬 중앙값 필터를 사용하여 검출되었으며, 제거된 벡터는 이웃하는 벡터들로부터 각 방향으로의 선형 보간에 의해 생성된 벡터로 대체되었다. 또한 5000장의 순간 유동장 이미지를 9Hz로 측정하였고, 이를 평균하여 충분히 수렴된 평균 속도, 평균 평방근(root meansquare) 그리고 평균 와도 값을 얻었다. Fig.

이론/모형

2m의 시험부를 가진 폐회로형 풍동에서 진행되었다. 본 실험장치의 차폐율은 10%이며 차폐효과를 보상하기 위해 Allen and Vincenti⁽¹³⁾, Dalton⁽¹⁴⁾등이 제안한 방법으로 측정 데이터를 보정하였다. 실린더 모델은 샤프트를 통해 풍동시험부에 고정하였다.
1(a)는 본 연구에서 사용된 실린더 모델을 정면에서 바라본 개략도이다. 본 연구에서는 축 방향으로 배열된 관통홀을 구비한 실린더 모델과 매끈한 실린더 모델이 사용되었다. 실린더는 지름 (D) 50 mm, 높이 494 mm이며, CNC기계를 사용하여 ABS 수지로 만들어졌다.

성능/효과

9(b), (c),(d)는 받음각이 0°일 때 FOV1 평면 위의 순간와도장을 나타낸 그림이다. 관통홀에서 생성된 수동제트가 카르만 보텍스 구조를 밀어냄에 따라 카르만 보텍스의 요동치는 정도가 줄어든 것을 볼 수 있으며, 따라서 실린더의 양력 섭동도 감소할 것으로 예상된다. 이 때, 수동제트의 보텍스가 실린더 전단층 보텍스와 상호작용하며 간헐적으로 위쪽, 아래쪽, 그리고 유동방향쪽으로 방향을 바꾸는 것을 확인할 수 있다.
받음각이 70°로 증가하면, 실린더 표면의 압력 분포에 따라 관통홀의 출 입구 간의 압력차이가 줄어든다. 그 결과, 관통홀 출 입구쪽 경계층의 흡입과 배출이 반복되면서 흡입이 일어나는 쪽의 보텍스가 실린더 표면에 부착되고, 배출이 일어나는 쪽의 보텍스가 바로 뒤쪽으로 형성되는 것을 확인하였다. 또한, Figs.
따라서, 관통홀 실린더에서 박리되는 유동의 전단층이 매끈한 실린더에 비해서는 뒤로 밀려나지만 받음각이 0° 일 때보다는 덜 밀려나는 것을 확인하였다.
또한, α = 70°인 경우 순간 와도장으로부터 경계층 흡입부 쪽의 유동 박리점이 상당히 지연되는 것을 확인하였고, 이와 동시에 경계층 배출부 쪽에서 다른 강한 보텍스가 생성되는 것을 FOV1, FOV2 모두에서 확인하였다.
7에 도시한 바와 같이 관통홀 실린더의 받음각이 증가함에 따라 후류 형성 길이가 크게 감소하는것을 알 수 있다. 또한, 매끈한 실린더의 후류형성 길이를 기준으로, 낮은 받음각의 범위에서는 관통홀 실린더의 후류 형성 길이가 더 크지만, 높은 받음각의 범위에서는 오히려 관통홀 실린더의 후류 형성 길이가 더 작음을 확인하였다. 이로부터 3.
차후에는 관통홀의 형상과 관련된 여러 매개변수(예: 관통홀의 지름, 관통홀 사이의 거리 등)가 후류 유동제어에 미치는 효과를 살펴보는 것이 필요할 것으로 생각된다. 또한, 본 연구에서 다룬 유동제어 기법에는 항력을 감소시킬 수 있는 유효 받음각이 존재하고, 유효 받음각의 크기에 따라 그 효과가 크게 달라지며, 유효 받음각을 벗어나면 오히려 항력이 증가함을 확인하였다. 따라서 유동방향에 관계없이 실린더의 항력을 감소시킬 수 있는 유동제어 기법을 고안하는것이 필요할 것이다.
본 실험에서는 α가 90°일 때항력계수가 가장 높았으며, 이때 29.5%의 항력이 증가하였다.
특히, α가 0°인 경우, 최대 23.8%의 항력 저감이 이루어졌으므로 단순히 유동방향과 평행하게 관통홀을 생성하는 것만으로 효과적인 유동제어가 가능하다는 것을 확인하였다.

후속연구

차후에는 관통홀의 형상과 관련된 여러 매개변수(예: 관통홀의 지름, 관통홀 사이의 거리 등)가 후류 유동제어에 미치는 효과를 살펴보는 것이 필요할 것으로 생각된다. 또한, 본 연구에서 다룬 유동제어 기법에는 항력을 감소시킬 수 있는 유효 받음각이 존재하고, 유효 받음각의 크기에 따라 그 효과가 크게 달라지며, 유효 받음각을 벗어나면 오히려 항력이 증가함을 확인하였다.

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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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