[논문]진동하는 원형실린더 주위 유동의 와흘림에 관한 연구

김대형; 김기하; 이창훈; 최정일

진동하는 원형실린더 주위 유동의 와흘림에 관한 연구
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김대형 (연세대학교 기계공학과) , 김기하 (연세대학교 천문우주학과) , 이창훈 (연세대학교 계산과학공학과) , 최정일 (연세대학교 계산과학공학과)

본 연구에서는 원형실린더의 강제 수평 및 수직진동에 따른 와흘림을 관찰하였다. EDISON_CFD의 가상경계법을 이용하여 원형실린더 주위 유동현상을 수치 모사하였다. 원형실린더의 강제 진동 특성에 따른 와흘림 진동수, 공력계수 등의 영향을 분석하였다. 특히, 진동방향에 따른 와흘림의 영향을 분석하여, 원형실린더의 강제 진동에 따른 유동의 선형성을 평가하였다.

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문제 정의

수평으로 진동하는 경우는 Cetiner & Rockwell⁽³⁾에 의하여 연구된 바 있다. 본 연구는 이에 더 나아가 진동 각도에 따른 유동변화와 공력계수의 변화 그리고 와흘림의 스트롤 수(St = f D/U)변화에 관하여 연구를 하였다. 여기서 f는 와흘림의 진동수, D는 실린더의 지름, U는 유동의 속도를 나타낸다.
본 연구에서는 EDISON_CFD를 활용하여 강제진동 하는 원형실린더 주위의 2차원 난류유동을 해석하였다. 해석결과의 신뢰성을 알아보기 위해 정지된 실린더 유동의 공력계수 및 스트롤 수를 선행연구와 비교했다.
본 연구에서는 진동이 없는 경우 레이놀즈 수(Re = UD/ν) 200에서 와흘림 진동 위상에 따른 유동장을 분석하였다.
수직으로 진동하는 실린더의 와흘림 특성은 Pham et al⁽²⁾에 의하여 연구 된 바가 있다. 이 연구에서는 진폭을 실린더 지름의 0.2배로 가진 하였을 때의 lock-on현상의 발생에 대하여 논의가 되었다. 수평으로 진동하는 경우는 Cetiner & Rockwell⁽³⁾에 의하여 연구된 바 있다.
192로 나타났다. 일반적인 와흘림의 주기적 유동 특성을 알아보기 위하여 유동장을 관찰하여 보았다. 한 주기의 자료를 분석한 결과 정확히 반주기의 반대칭(anti-symmetry)를 형성하는 것을 확인하였다.

제안 방법

lock-on현상이 발생하는 수직진동(90° )의 유동을 현상을 관찰하였다.
격자 분해능을 비교하기 위해서 실린더를 중심으로 가로, 세로 지름크기(D × D)의 사각형을 형성하여 격자를 3가지 경우로 만들었다.
격자 분해능의 유효성을 검증하기 위하여 크기가 다른 3개의 격자계(160 × 120, 120 × 90, 80 × 60)의 공력계수 및 스트롤 수를 비교하였다.
05 범위의 Lock-on 현상을 관찰하였다. 또한 Lock-on 현상이 유지되지 않을 경우 나타나는 특징적인 유동의 C_L값과 그에 해당하는 순간 유동장의 관계성을 알아보았다. 정지된 경우와 마찬가지로 와류의 박리와 C_L값의 관계성 확인하였다.
해석결과의 신뢰성을 알아보기 위해 정지된 실린더 유동의 공력계수 및 스트롤 수를 선행연구와 비교했다. 또한 격자분해능에 따른 공력계수 및 스트롤 수를 확인하여 신뢰성을 검증하였다. 레이놀즈 수가 200일 경우 정지된 실린더의 유동을 관찰하여 C_L값과 그에 해당하는 순간 유동장의 특징을 알아보았다.
또한 격자분해능에 따른 공력계수 및 스트롤 수를 확인하여 신뢰성을 검증하였다. 레이놀즈 수가 200일 경우 정지된 실린더의 유동을 관찰하여 C_L값과 그에 해당하는 순간 유동장의 특징을 알아보았다. 와흘림 와류의 주기적인 박리에 따라서 압력 변화가 발생하고 C_L값이 변동되는 것을 확인하였다.
은 본 연구에 사용된 계산영역 및 각 방향으로의 길이를 나타내고 있다. 본 연구에서는 가상 경계법을 이용하여 진동 시 실린더 위치 변화에 따른 격자 재생성의 불편함을 해소하였다. Fig.
본 연구에서는 실린더의 지름을 D로 하여 모든 길이 단위를 무차원화 하였다. 유동 입구 쪽의 충분한 유동 발달을 위해 10D의 영역을 설정하였고 위와 아래 원거리는 15D의 길이로 설정하였다.
수직 진동에서는 A/D = 0.2일 경우 fs ≤1.05 범위의 Lock-on 현상을 관찰하였다.
수직과 수평(0° )을 제외한 임의의 각도를 두 진동의 중첩으로 가정하여 중첩 진동 결과 값이 수직진동과 수평진동의 결과 값으로부터 계산한 선형적 예측과의 관계를 알아보았다.
03으로 설정하여 실린더 주위로 격자를 집중 시켰다. 왼쪽 유동입구와 오른쪽 유동 출구를 아음속 입구/출구 경계조건으로 설정하였고, 위와 아래는 원거리 경계조건을 적용하여 연구를 진행하였다.
본 연구에서는 실린더의 지름을 D로 하여 모든 길이 단위를 무차원화 하였다. 유동 입구 쪽의 충분한 유동 발달을 위해 10D의 영역을 설정하였고 위와 아래 원거리는 15D의 길이로 설정하였다. 후류의 완전히 발달한 형태를 관찰하기 위하여 출구 쪽은 20D의 비교적 큰 길이로 계산영역 결정하였다.
Lock-on 현상이 발생하는 경우 단일 진동수를 가지므로 정지된 실린더의 유동과 형태적으로 크게 다르지 않지만 Lock-on이 발생하지 않을 경우 위상에 따른 유동현상이 상당히 다르게 나타난다. 이를 위하여 f_s = 1.1의 경우 2차 진동수를 기준으로 한 주기의 C_L 극댓값의 유동을 관찰하였다. 실린더 내부의 + 표시는 진동 기준점을 표시한 것이다.
본 연구에서는 EDISON_CFD를 활용하여 강제진동 하는 원형실린더 주위의 2차원 난류유동을 해석하였다. 해석결과의 신뢰성을 알아보기 위해 정지된 실린더 유동의 공력계수 및 스트롤 수를 선행연구와 비교했다. 또한 격자분해능에 따른 공력계수 및 스트롤 수를 확인하여 신뢰성을 검증하였다.
유동 입구 쪽의 충분한 유동 발달을 위해 10D의 영역을 설정하였고 위와 아래 원거리는 15D의 길이로 설정하였다. 후류의 완전히 발달한 형태를 관찰하기 위하여 출구 쪽은 20D의 비교적 큰 길이로 계산영역 결정하였다. Fig 1.

대상 데이터

위의 두 가지 유효성 검사를 통해서 본 연구에서 사용한 160 × 120 격자계의 신뢰성을 확인하였다.

이론/모형

여기서 f는 와흘림의 진동수, D는 실린더의 지름, U는 유동의 속도를 나타낸다. 연구에 사용된 수치해석 도구로는 가상경계법을 이용한 EDISON_CFD의 YUIBM2 Solver를 사용하였다. YUIBM2 Solver에 사용된 가상 경계법을 이용한 실린더 유동에 관한 연구는 Park et al.

성능/효과

Fig 7. (a) 에서 알 수 있듯이 진동이 없는 경우에 비하여 수평진동의 경우 C_D값이 낮게 나타났으며 수직진동의 경우 높은 진동수 영역에서 더 커지는 것을 확인 하였다. 또한 C_D값은 진동수가 낮은 범위(f_s ≤1)에서 중첩현상을 나타냈다.
임의의 진동의 경우 수평, 수직 진동의 스트롤 수 변화를 바탕으로 예상되는 선형적 중첩 형태를 나타내는 것으로 확인되었다. 마찬가지로 C_D값의 경우에도 예상되는 값과 진동수가 낮은 범위(f_s ≤1)에서 선형적 중첩이 발생함을 확인하였다. 하지만 C_L값은 전 진동수 영역에 걸쳐 예상과는 크게 차이가 있어 선형적 중첩효과는 없는 것으로 확인되었다.
본 연구의 결과 값은 선행 연구들의 결과 값에 비교하여 큰 차이를 보이지 않았음을 확인 할 수 있었다. 격자 분해능의 유효성을 검증하기 위하여 크기가 다른 3개의 격자계(160 × 120, 120 × 90, 80 × 60)의 공력계수 및 스트롤 수를 비교하였다.
레이놀즈 수가 200일 경우 정지된 실린더의 유동을 관찰하여 C_L값과 그에 해당하는 순간 유동장의 특징을 알아보았다. 와흘림 와류의 주기적인 박리에 따라서 압력 변화가 발생하고 C_L값이 변동되는 것을 확인하였다. 수직 진동에서는 A/D = 0.
마찬가지로 C_D값의 경우에도 예상되는 값과 진동수가 낮은 범위(f_s ≤1)에서 선형적 중첩이 발생함을 확인하였다. 하지만 C_L값은 전 진동수 영역에 걸쳐 예상과는 크게 차이가 있어 선형적 중첩효과는 없는 것으로 확인되었다.
일반적인 와흘림의 주기적 유동 특성을 알아보기 위하여 유동장을 관찰하여 보았다. 한 주기의 자료를 분석한 결과 정확히 반주기의 반대칭(anti-symmetry)를 형성하는 것을 확인하였다. 이러한 이유로 반주기의 유동장을 Fig 3.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

실린더 후류의 경우 특정 레이놀즈 수에서 어떤 현상이 나타나는가?

또한 실린더 유동해석은 유동제어의 근본적인 지식으로 관련연구의 적용분야는 셀 수 없을 정도로 많다. 특히 실린더 후류의 경우 특정 레이놀즈 수에서 와흘림 현상이 나타난다. 정지된 실린더의 와흘림 현상에 관하여는 Williamson et al.

수직으로 진동하는 실린더의 와흘림 특성은 누구에 의해 연구 된 바가 있는가?

(1)에 의하여 연구된바 있다. 수직으로 진동하는 실린더의 와흘림 특성은 Pham et al(2)에 의하여 연구 된 바가 있다. 이 연구에서는 진폭을 실린더 지름의 0.

실린더 주변(특히 후류)에 대한 많은 연구들이 진행된 이유는?

실린더 형태의 구조물은 인공물뿐만 아니라 많은 자연물 중에서도 관찰이 된다. 이러한 연유로 실린더 주변(특히 후류)에 대한 많은 연구들이 진행 되었어왔다.

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