[논문]방파제의 효율적 배치를 알아보기 위한 실린더의 2차원 유동분석

천수민; 최윤영

문제 정의

하지만 다중배열에 대한 논문은 부족하다. 그래서 본 논문에서는 가로 및 세로 배열을 바탕으로 주기적 배열과 엇갈림 배열의 항력과 유동특성을 알아보고자 한다.
본 논문에서는 EDISON_CFD를 이용하여 다중 원형실린더의 항력계수를 최대로 하는 배치에 대해 알아보았다. 해석결과의 신뢰성을 알아보기 위해 격자 분해능 선택시 단일 실린더에서 Cd, Cl, St, L/D, θ 를 구하여 기존 연구결과와 비교했고 시간사용도 고려하여 효율적인 선택을 했다.
같은 수량의 재료를 사용한 구조물들이라도 배치에 따라 총 항력에 차이가 생기기 때문에 구조물의 효율적인 배치가 필요하다. 본 연구에서는 방파제 관련 유동은 난류이지만 방파제 요소간의 상호작용을 알아보기 위해서 층류로 한정하였고, 다양한 형태의 방파 구조물이 존재하지만 가장 단순화시킨 원형실린더라 가정하고 조사하고자 한다. Sumner¹⁾에서는 주로 높은 레이놀즈 수에 있는 두 개의 실린더에 대해서 레이놀즈 수, 거리에 따른 분석이 진행되었다.

제안 방법

8828%이다. 15D일 때 상대오차는 그리 크지 않으므로 효율적인 계산수행을 위하여 이후로는 전방과 상하의 계산영역은 15D로 고정시키고 진행하였다.
Re=40 일 때, 실린더 3열을 주기적으로 배열할 때 엇갈림 여부에 따른 항력계수의 변화를 관찰하였다. 이때 가로배열과 세로배열일 때 결과를 참고하여 최대 항력을 가지는 최적 배열의 목적에 부합하도록 실린더 중심의 가로거리(S)는 4.
최종 배열을 실험하기 위해 먼저 가로배열과 세로배열을 조사하였다. 가로배열시 항력계수가 급격하게 커지기 시작한 뒤의 거리(4.5D)를, 세로배열시 항력계수가 급격하게 커지기 시작한 뒤의 거리(1.5D)를 선택하여 9개의 실린더를 주기적 배열, 엇갈림 배열로 배치하였다. 그리고 엇갈림 배열이 더 큰 항력계수를 가져 방파제의 목적에 부합하는 효율적 배치가 됨을 알 수 있었다.
결정한 계산영역으로 Re=20, 40, 100에 대하여 1D당 최대격자수를 10, 20, 40, 80으로 변화시키면서 수행하였다. 가장 바깥쪽 실린더 중심으로부터 1D내의 범위는 최대격자수를 등 간격으로 배치하고, 1D를 넘어가는 영역에 대하여는 1.
계산영역의 위, 아래에는 “Far-Field Condition”을 주었고 가장 바깥쪽 실린더의 전방, 위, 아래에는 격자 분해능의 조사를 통해 구해진 값인 15D, 후방은 “Neumann Boundary Condition”으로 생기는 역압력 구배의 영향을 피하기 위해 25D를 적용하였다.
5%이내의 오차를 허용가능하다고 보면, 전방과 상하의 계산영역은 10D와 20D 사이에서 결정할 수 있다. 그리하여 Re=200일 때, 1D당 최대격자수를 40으로, 후방의 계산영역은 25D로 고정시킨 채로 전방과 상하의 계산영역을 10D, 15D, 20D로 변화시켜 가면서 항력계수를 비교하였다. 그 결과 항력계수는 순서대로 1.
본 논문에서는 원형 실린더의 배치에 따른 결과를 항력계수를 중점으로 관찰하였다. 경계조건은 입구에서 u=1, v=0으로 “Subsonic Inlet Condition”을 주었고, 출구에도 같은 조건을 주었다.
해석결과의 신뢰성을 알아보기 위해 격자 분해능 선택시 단일 실린더에서 Cd, Cl, St, L/D, θ 를 구하여 기존 연구결과와 비교했고 시간사용도 고려하여 효율적인 선택을 했다. 이 값을 바탕으로 다중 실린더로 확장시켜 실험을 진행하였다. 최종 배열을 실험하기 위해 먼저 가로배열과 세로배열을 조사하였다.
다만 실린더 3열의 주기적 배열의 경우 2D_YUIBM_1에서는 한 블록 당 최대격자수 500의 제한조건이 존재하여 488×418의 격자를 사용 하였는데 가로 방향에서 가장 바깥쪽에 있는 실린더의 중앙에서 약간 바깥쪽 부분에서부터 간격이 넓어지게 된다. 이 때 최대격자수 검증 결과를 참고하면 항력계수가 커지는 오차가 생길 수 있으며 이를 유념하여 실험결과를 해석하였다.
75D≤Sc<4D의 범위이다. 이를 참고하여 두 실린더 중심사이 거리 S가 1D, 2D, 3D, 4D, 6D 일 때 항력계수의 변화를 알아보았다.
주기적 배열과 엇갈림배열의 사이에 있는 3개의 실린더를 중심으로 (Cd1-1열 2행, Cd2-2열 2행-정 중앙, Cd3-3열 2행) 비교하였다. Cd1은 비슷하고 Cd2와 Cd3의 값에서 차이를 보인다.
이 값을 바탕으로 다중 실린더로 확장시켜 실험을 진행하였다. 최종 배열을 실험하기 위해 먼저 가로배열과 세로배열을 조사하였다. 가로배열시 항력계수가 급격하게 커지기 시작한 뒤의 거리(4.

데이터처리

해석결과의 신뢰성을 알아보기 위해 격자 분해능 선택시 단일 실린더에서 Cd, Cl, St, L/D, θ 를 구하여 기존 연구결과와 비교했고 시간사용도 고려하여 효율적인 선택을 했다.

성능/효과

2를 보면 두 실린더 사이에는 Re=100인 경우와 같이 박리기포가 생기지만 후방실린더 뒤에도 카르만 볼텍스가 아닌 박리기포가 생기는데 이것이 원인이다. 그 결과 S=4D에서 6D가 됨에 따라 항력계수가 급변하는데 이로 비추어 보아 Sc와 같은 임계거리가 존재할 것임을 예측할 수 있다.
2에서 볼 수 있듯이 압력이 회복되어 후방실린더의 압력차가 커짐이 주된 이유가 될 것이다. 그 결과 평균 항력계수는 상대적으로 급증한다.
그리하여 Re=200일 때, 1D당 최대격자수를 40으로, 후방의 계산영역은 25D로 고정시킨 채로 전방과 상하의 계산영역을 10D, 15D, 20D로 변화시켜 가면서 항력계수를 비교하였다. 그 결과 항력계수는 순서대로 1.40, 1.37, 1.36가 되며 최대 계산영역인 20D를 기준으로 하였을 때 10D, 15D의 상대오차는 2.9353%, 0.8828%이다. 15D일 때 상대오차는 그리 크지 않으므로 효율적인 계산수행을 위하여 이후로는 전방과 상하의 계산영역은 15D로 고정시키고 진행하였다.
5D)를 선택하여 9개의 실린더를 주기적 배열, 엇갈림 배열로 배치하였다. 그리고 엇갈림 배열이 더 큰 항력계수를 가져 방파제의 목적에 부합하는 효율적 배치가 됨을 알 수 있었다.
이는 엇갈림 배열은 사실상 전방실린더와 사실상 9D의 거리를 가지기 때문에 앞에서의 결과와 같이 Re=40에서 거리가 멀어질수록 항력 계수가 커지는 경향과 일치함을 볼 수 있다. 세 실린더의 항력의 평균은주기적 배열일 때 0.78, 엇갈림일 때 0.85로 엇갈림배열일 때가 주기적 배열보다 약 9% 더 큰 항력계수를 보인다. 이는 엇갈림배열이 더 효과적이라는 의미이다.

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