초록 ▼

본 연구에서는 정밀 유동 측정 기술을 통한 유동 구조의 이해를 증진하고, 국소 가진을 이용한 유동제어의 실험적 적용에 대한 평가를 수행하고자 한다. 또한 기존의 수치해석기법 기반기술에서 수치방법론/경계조건/난류모델 등의 기술을 향상시키고자 한다. 이를 바탕으로 하여, 최종적으로 새로운 개념의 제어이론을 부가하여 유동제어기법을 확립하고자 한다 이에 대해 다음의 5가지 영역으로 나누어 실험 및 수치해석을 통한 연구가 수행되었다.
1. 기하학적 형상/유동조건에 따른 실험 및 해석을 통한 database 구축
유동제어의 대상이

본 연구에서는 정밀 유동 측정 기술을 통한 유동 구조의 이해를 증진하고, 국소 가진을 이용한 유동제어의 실험적 적용에 대한 평가를 수행하고자 한다. 또한 기존의 수치해석기법 기반기술에서 수치방법론/경계조건/난류모델 등의 기술을 향상시키고자 한다. 이를 바탕으로 하여, 최종적으로 새로운 개념의 제어이론을 부가하여 유동제어기법을 확립하고자 한다 이에 대해 다음의 5가지 영역으로 나누어 실험 및 수치해석을 통한 연구가 수행되었다.
1. 기하학적 형상/유동조건에 따른 실험 및 해석을 통한 database 구축
유동제어의 대상이 되는 다양한 유동장에 대하여 실험 및 수치해석을 통하여 유동장에 대한 물리적인 이해를 증진시키고자 한다. 공학적인 문제에서 관심이 되는 난류 경계층, 원봉후류, 후향계단, 정체점 부근, 동심환형관 내의 유동장에 대하여 고정밀 수치기법인 DNS, LES 또는 실험적인 방법을 통하여 유동제어의 기본 database를 구축하고자 한다.
2. 난류 유동 해석 기법 고찰 및 개발
본 연구에서는 3차원 비정상 유동의 효율적인 운동해석 수치방법을 개발하고 적용하며, 공간 발달 유동의 수치해석에 요구되는 입구유동 조건의 평가 및 적용도 행하고자 한다. 실제 제어 대상이 되는 복잡한 형상의 유동에 대한 대형 와 모사의 결과와 실험결과와의 비교를 통해 수치 해석 기법의 타당성을 검증하고자 한다 또한, 기존의 난류 모형을 개선하여 실험을 통한 유동 제어 결과와의 비교, 검토하고자 한다.
3. 유동제어의 실험적 적용
본 연구에서는 개방형 유동제어의 실험적 적용으로, 국소음향 가진에 의한 후향계단 및 난류 경계층 유동에서의 제어실험 과 주기적인 후류 가진에 의한 둔간물체 주위 유동에서의 제어실험을 하고자 한다. 각각의 제어입력에 대한 유동장의 반응을 조사하고, 이를 바탕으로 실험적인 유동제어 기법의 토대를 마련하고자 한다.
4. 정밀 유동/압력 측정 기술 및 유동가시화 기법 확보
실험적인 유동제어의 기본이 되는 유동장의 정밀 측정 기술확보를 위해 센서열에 의한 유동 및 압력 측정 기술을 수립하고자 한다. 이를 통해 박리 유동구조 해석 및 벽압력 섭동 스펙트럼 해석과 원거리 소음 추정에의 응용을 시도하고자 한다, 또한, 유동가시화를 이용한 유동구조 해석을 통해 박리 유동장내의 유동구조의 변화를 관찰하고자 한다. 아울러, 압력장의 공간상의 분포를 동시에 얻을 수 있는 PSP를 통한 압력장 해석 기법을 확보하고 충돌 제트 유동의 압력장 해석에 적용하고자 한다.
5. 선형/비선형 유동제어 기법 개발
준최적제어 이론에 의거한 제어입력에 대해 제어입력크기와 시간척도에 대한 영향을 조사하고자 한다. 감지부와 가진자 간의 상호조합에 따른 제어효율을 평가하여 최적의 제어기를 제시하고자 한다. 특히, 제어인자에 따른 벽면 부근에서의 유동 구조 변화에 대한 조사를 통하여 항력저감에 대한 제어인자를 평가한다.

Abstract ▼

For this purpose, laboratory experiments and numerical simulations have been conducted to understand the flow structures, Precise measurement techniques for turbulent flows have been developed. The control mechanism of turbulent flows was investigated by experimental studies of backward-facing step

For this purpose, laboratory experiments and numerical simulations have been conducted to understand the flow structures, Precise measurement techniques for turbulent flows have been developed. The control mechanism of turbulent flows was investigated by experimental studies of backward-facing step and boundary layer with local forcing. Numerical techniques have been in proved by an efficient algorithm, accurate boundary conditions and newly developed turbulence models. Various flow control theories have been evaluated and developed on the basis of the experimental and numerical results. The present research can be classified into five categories :
1. Establishment of experimental and numerical database.
To understand turbulent flows and to control the flows, database of various turbulent flews have been established : turbulent boundary layer, circular cylinder, backward-facing step, stagnation region, and concentric annular pipe flow. These database are implemented through highly accurate numerical simulations (DNS/LES) and experiments.
2. Development of Numerical Techniques for Analysis of Turbulent Flows
A new efficient numerical algorithm to solve the unsteady incompressible Navier-Stokes equation is developed and applied to the DNS of turbulent boundary layer with 10cal blowing/suction. Realistic turbulent fluctuations have been generated by means of Lund et al.'s method (1998) for inflow data of the spatially-evolving flow. A simple method for generating inflow conditions for turbulent boundary layers in a RANS simulation has been presented. New turbulence models for separated/reattaching flows and transition boundary layer ]lave been developed and a new eddy viscosity model has been proposed. A large eddy simulation (LES) is also performed for turbulent flow around a bluff body inside a sudden expansion cylinder chamber, a configuration which resembles a premixed gas turbine combustor.
3. Experimental Applications of Plow Control
A systematic study of active open-loop control of backward-facing step and turbulent boundary layer flows with acoustic excitation has been conducted. Mean velocities, turbulent intensities and skin friction coefficient were measured and the phase averaging technique was employed to capture the coherent structures due to the local forcing. Control of the flow around blunt body through a periodic wake excitation was also conducted. For each flow geometry, the response of actuation has been scrutinized and the results can be considered as a fundamental data of experimental flow control techniques.
4. Highly Precise Flow/pressure Measurement and Flow Visualization
Measurements of wall pressure fluctuations were made in a separated and reattaching flow over a backward-facing step by Using an array of 32 microphones. The statistical properties of pressure fluctuations were scrutinized and tune-dependent characteristics of wall pressure fluctuations were investigated by means of continuous wavelet transform. A new type of flow visualization method utilizing a smoke-wire, a high speed camera with high framing rate$ and a laser light sheet was employed to delineate the unsteady processes of large-scale vortices In the separated shear layer about a blunt-faced flat plate. Pressure sensitive paint (PSP) measurement system including the calibration facility was installed and several methods to improve the resolution of the PSP measurement were proposed.
5. Linear/Hon-linear Flow Control Methodology
The near-wall behavoirs of flow structures are analyzed to characterize the drag reduction by conducting DNS Of turbulent Channel flow With Suboptimal control. The influence of the amplitude of actuation and the time scale of actuation is also evaluated.

목차 Contents

• 제 1 장 서론...27
• 1. 연구개발의 목적 및 필요성...27
• 2. 연구개발의 범위...28
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...42
• 1. 국내외 관련분야에 대한 기술개발 현황...42
• 2. 연구결과가 국내외 기술개발현황에서 차지하는 위치...43
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...46
• 제 1 절 기하학적 형상/유동조건에 따른 실험 및 해석을 통한 database 구축...46
• 1. 경계층 유동에서의 유동 구조 해석...46
• 2. 원봉후류 유동에서의 유동 구조 해석...54
• 3. 후향계단 유동에서의 유동 구조 해석...61
• 4. 정체점 부근에서의 유동 구조 해석...65
• 5. 동심환형관 내 유동장 해석...72
• 제 2 절 난류 유동 해석 기법 고찰 및 개발 (RANS/LES/DNS/소음추정기법)...77
• 1. 고정밀 유동해석 수치방법의 개발 및 적용...77
• 2. 공간 발달하는 난류유동의 수치해석에 필요한 입구유동 조건의 평가 및 적용...88
• 3. 천이경계층 유동에 대한 난류모형의 개발...95
• 4. 박리/재부착 유동에 대한 난류모형의 개발 및 적용...110
• 5. 난류 유동 해석을 위한 와점성 난류모형의 개발...123
• 6. 급확대부를 갖는 챔버 내부의 유동장에 대한 대형 와 토사...127
• 제 3 절 유동제어의 실험적 적용...142
• 1. 국소음향 가진에 의한 후향계단 유동에서의 제어실험...142
• 2. 국소음향 가진에 의한 경계층 유동에서의 제어실험...146
• 3. 주기적인 후류 가진에 의한 둔각물체 주위 유동에서의 제어 실험...166
• 제 4 절 정밀 유동/압력 측정 기술 및 유동가시화 기법 확보...172
• 1. 센서열에 의한 유동 및 압력 측정을 통한 박리 유동구조 해석...172
• 2. 유동가시화를 통한 유동구조 해석...175
• 3. PSP를 이용한 압력장 해석...179
• 4. 벽압력 섭동 스펙트럼 해석 및 원거리 소음 추정...193
• 제 5 절 선형/비선형 유동제어 기법 개발...199
• 1. 난류채널유동에서의 준최적 제어기법 평가...199
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...382
• 1. 연구목표 및 평가착안점에 따른 달성도...382
• 2. 연구의 대외기여도...385
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...391
• 1. 연구개발결과의 타 연구에서의 응용, 기업화 추진 방한...391
• 2. 추가연구의 필요성...392
• 제 6 장 참고문헌...393