[논문]원형 및 사각형 단면 형상을 가진 tandem 실린더의 gap flow 유동현상 규명에 관한 연구

정성용; 박한욱

doi:10.5407/jksv.2020.18.2.039

원형 및 사각형 단면 형상을 가진 tandem 실린더의 gap flow 유동현상 규명에 관한 연구
Comparison of gap flows between tandem cylinders having circular and square sections 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.18 no.2, 2020년, pp.39 - 45

정성용 (Department of Mechanical Engineering, Chosun University) , 박한욱 (Department of Medical and Mechatronics Engineering, Soonchunhyang University)

Abstract ▼ AI-Helper

Problems related with flows around structures are typical in various engineering fields. The characteristics of these flow structures depend strongly on the shape of the body. The flow regime around square cylinders which are also employed in various applications has also been investigated. In addition to a single body, flows past closely spaced structures arranged in tandem are observed in numerous practical applications. In this study, the flow characteristics around the circular and the square cylinder were investigated according to S/D. The velocity fields and Reynolds stress of the single cylinders were acquired to explain the flow behaviors between tandem cylinders. The differences observed in the flow behaviors of square and circular cylinders were studied. The flow patterns around two tandem cylinders can be classified into three types of wake interference behaviors according to S/D. This is related with the flows between cylinders.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. (a) Sketch of the flow around two circular and square cylinders in tandem arrangement. (b) A schematic diagram of the experimental setup.
그림 Fig. 2. Streamline around the (a) circular and (b) square cylinders.
그림 Fig. 3. Normalized velocity distribution of (a) circular cylinder and (b) square cylinder along the y direction according to the distance from the end of the cylinder.
그림 Fig. 4. Mean velocity field around the square cylinder.
그림 Fig. 5. Flow visualization around the circular and square cylinder according to the S/D in the top-view.
그림 Fig. 6. Streamline around the circular cylinders where S/D is (a) 1, (b) 3 and (c) 5.
그림 Fig. 7. Streamline around the square cylinders where S/D is (a) 1, (b) 3 and (c) 5.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 tandem으로 배열된 원형 및 사각 실린더 사이의 거리에 따라 다르게 나타나는 유동을 가시화 하였다. 우선 단일 원형, 사각형 실린더 주변 유동을 가시화 하여, Reynolds stress와 속도의 분포를 관측하였다.
본 연구에서는 사각형 실린더와 원형 실린더의 간격 (S/D) 을 다르게 하여 두 실린더 사이에서 발생하는 유동에 대해서 살펴보았다. 우선 단일 실린더의 경우 사각형 실린더와 원형 실린더 후단에서 발생하는 유동을 살펴보고 Reynolds stress 의 변화를 살펴보았다.

제안 방법

속도 정보는 MATLAB 프로그램 기반의 PIVlab 을 이용하여 획득 하였으며,⁽²³⁾ two-frame cross correlation algorithm 을 채택하였다. Interrogation window size 는 32 x 32 pixel 이고 50% overlapping 을 하여 PIV 를 수행하였다.
우선 단일 실린더의 경우 사각형 실린더와 원형 실린더 후단에서 발생하는 유동을 살펴보고 Reynolds stress 의 변화를 살펴보았다. 또한 S/D 간격이 증가함에 따라 두 실린더 사이에서 발생하는 gap flow 를 가시화 하여 유동장의 변화를 살펴보고, S/D 간격에 따른 유동 특성을 분류하였다.
1(b) 는 본 실험에서 사용된 실험 장치를 보여준다. 실험은 회류수조에서 수행하였다. 작동 유체는 tab water 이었으며, 공급된 유체의 upstream 속도는 75mm/s 이며, Reynolds 수는 371.
작동 유체의 온도는 298K 이다. 연속된 영상을 획득하기 위하여 532nm 의 파장을 가진 Nd:Yag continuous laser를 사용하여 laser sheet 를 제작하였다. High speed camera (mini UX50, Photron, Japan)을 이용하여 연속 영상을 획득하였다.
본 연구에서는 사각형 실린더와 원형 실린더의 간격 (S/D) 을 다르게 하여 두 실린더 사이에서 발생하는 유동에 대해서 살펴보았다. 우선 단일 실린더의 경우 사각형 실린더와 원형 실린더 후단에서 발생하는 유동을 살펴보고 Reynolds stress 의 변화를 살펴보았다. 또한 S/D 간격이 증가함에 따라 두 실린더 사이에서 발생하는 gap flow 를 가시화 하여 유동장의 변화를 살펴보고, S/D 간격에 따른 유동 특성을 분류하였다.
본 연구에서는 tandem으로 배열된 원형 및 사각 실린더 사이의 거리에 따라 다르게 나타나는 유동을 가시화 하였다. 우선 단일 원형, 사각형 실린더 주변 유동을 가시화 하여, Reynolds stress와 속도의 분포를 관측하였다. 사각형 실린더의 경우 원형실린더보다 Reynolds stress가 더 크고 넓은 지역에 나타났으며, saddle point 또한 지연되는 것을 알 수 있었다.
^(2-3) 이러한 유동 구조의 특성은 구조물의 형상과 밀접한 관련이 있다고 알려져 있다. 이와 더불어 사각형 실린더 주변의 유동 현상에 관한 연구 또한 다양한 응용분야에서 수치해석 연구 및 실험을 통해 수행되었다.^(5-9)
High speed camera (mini UX50, Photron, Japan)을 이용하여 연속 영상을 획득하였다. 획득된 영상은 in-house code 를 이용하여 배경 제거를 수행하여 영상을 질을 높였다. 속도 정보는 MATLAB 프로그램 기반의 PIVlab 을 이용하여 획득 하였으며,⁽²³⁾ two-frame cross correlation algorithm 을 채택하였다.

대상 데이터

연속된 영상을 획득하기 위하여 532nm 의 파장을 가진 Nd:Yag continuous laser를 사용하여 laser sheet 를 제작하였다. High speed camera (mini UX50, Photron, Japan)을 이용하여 연속 영상을 획득하였다. 획득된 영상은 in-house code 를 이용하여 배경 제거를 수행하여 영상을 질을 높였다.
1(a) 는 본 실험에서 사용된 실험 모델을 보여준다. 실린더는 3D 프린터를 이용하여 제작하였으며 재질은 PLA 이며, 실린더의 직경은 5mm 이다. 단일 실린더와 tandem 으로 실린더를 배치하여 실험을 수행하였다.

이론/모형

획득된 영상은 in-house code 를 이용하여 배경 제거를 수행하여 영상을 질을 높였다. 속도 정보는 MATLAB 프로그램 기반의 PIVlab 을 이용하여 획득 하였으며,⁽²³⁾ two-frame cross correlation algorithm 을 채택하였다. Interrogation window size 는 32 x 32 pixel 이고 50% overlapping 을 하여 PIV 를 수행하였다.

성능/효과

사각형 실린더의 경우 원형실린더보다 Reynolds stress가 더 크고 넓은 지역에 나타났으며, saddle point 또한 지연되는 것을 알 수 있었다. Tandem으로 배치된 원형 및 사각형 실린더 내부의 gap flow를 관측한 결과, S/D = 1인 경우에는 gap flow가 거의 발생하지 않아, 후류 후단에서 발생하는 유체의 유동은 단일 실린더와 비슷한 양상을 보였다. 하지만 실린더 사이의 간격이 길어질수록 gap flow 의 영향은 점점 커졌으며, 재부착 또한 사라지는 경향을 보였다.
우선 단일 원형, 사각형 실린더 주변 유동을 가시화 하여, Reynolds stress와 속도의 분포를 관측하였다. 사각형 실린더의 경우 원형실린더보다 Reynolds stress가 더 크고 넓은 지역에 나타났으며, saddle point 또한 지연되는 것을 알 수 있었다. Tandem으로 배치된 원형 및 사각형 실린더 내부의 gap flow를 관측한 결과, S/D = 1인 경우에는 gap flow가 거의 발생하지 않아, 후류 후단에서 발생하는 유체의 유동은 단일 실린더와 비슷한 양상을 보였다.

후속연구

Vortex shedding 현상과 전단층의 재부착현상을 정확하게 해석하기 위해서 tandem 실린더 사이에서 발생하는 복잡한 유동 현상인 gap flow 현상에 대한 추가적인 연구가 필수적이다. Tandem으로 배치된 실린더 주변에서 발생하는유동 현상에 관한 다양한 연구가 기존에 수행되었음에도 불구하고, 낮은 레이놀즈 수 영역에서 발생하는 유동에 관한 연구는 미흡한 실정이다.
S/D = 5인 경우 재순환 영역 이후 vortex shedding이 발생하여 독립적인 2개의 실린더 거동을 보임을 알 수 있었다. 본 연구결과는 향후 군집형 구조물 주변에서 발생하는 유동 해석에 활용될 수 있을 것으로 보인다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2 차원 원형 실린더 주위의 유동 현상이 널리 연구되는 이유는?	Bluff body 로부터 발생되는 유동 현상은 구조물에 가해지는 공력 및 수력과 밀접한 관련이 있다. 그 중에서 대표적인 구조물이라고 할 수 있는 2 차원 원형 실린더 주위의 유동 현상은 간단한 형상에 기인하여 와류 구조가 균일한 특성이 있어 널리 연구되고 있다.(1-4) 특히, vortex shedding 과 같은 전형적인 유동 현상에 대한 연구가 다양한 레이놀즈 수 범위 내에서 수행되었다.
	tandem으로 배치된 실린더 주변에서 두 물체사이의 유동은 무엇과 밀접한 관련이 있는가?	상류 실린더로부터 발생되는 후류는 하류 실린더에 대한 유체의 유입을 변화 시키며, 이는 하류 실린더에서 발생하는 vortex shedding 과 상호 작용한다고 알려져 있다. 많은 연구들이 tandem으로 배치된 실린더 주변에서 발생하는 유동 흐름, 양력, 항력, 그리고 vortex shedding 주파수에 대해서 수행되었으며, 두 물체사이의 유동이 레이놀즈 수와, 실린더 사이 간격(S/D) 과 밀접한 관련이 있음을 밝혔다.(10-18) 이전 연구들은 두개의 연속된 실린더 주위에서 발생하는 유동 패턴을 S/D에 따른 후류 간섭 현상을 기준으로 3 가지 type 로 분류하였다.
	두개의 연속된 실린더 주위에서 발생하는 유동 패턴을 S/D에 따른 후류 간섭 현상을 기준으로 3가지로 어떻게 분류하는가?	첫번째 패턴은 작은 S/D 에서 존재하며, 2 개의 실린더가 한 개의 단일 실린더와 같은 경향을 보인다. 두번째는 적당한 간격의 S/D 에서 보이는 재부착 형태이며, 이것은 앞쪽 실린더에서발생하는 전단층이 후류쪽 실린더에 부착되는 형태이다. 또한 와류 구조가 실린더 사이에서 gap flow 의 형태로 발생한다. 마지막으로 큰 S/D 의 경우vortex 의 shedding 이 두 실린더 모두에서 발생한다. 재부착 형태의 유동 현상은 상류에 위치한 실린더의 항력을 감소시키고, 후류쪽 실린더에 음의 크기의 항력을 가지게 한다.

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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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