A new type of an array of pressure sensors, which is composed of PVDF (polyvinylidenefluoride), was devised and evaluated. In order to obtain the system transfer function of the PVDF system, a dynamic calibration was performed utilizing the signal from a 1/8 inch B&K microphone as input. The time history of the unsteady pressure was then reconstructed from the output of the sensor by using this transfer function. The reconstructed pressure signals showed good agreement with the reference signal in both a temporal and spectral sense. This sensor was then used to measure the wall pressure fluctuations in a two-dimensional turbulent channel flow. Various statistical moments were obtained from the measurement data set. Comparison of these quantities with the existing studies demonstrated satisfactory agreement. These exercises give credence to the relevance and reliability of this sensor for applications in more complicated turbulent flows.
Laboratory measurements were made of wall pressure fluctuations in a separated and reattaching flow over a backward-facing step. An array of 32 microphones in the streamwise as well as the spanwise directions was utilized. The statistical properties of pressure fluctuations were scrutinized. Emphasis was placed on the flow inhomogeneity in the streamwise direction. One-point statistics such as the streamwise distribution of rms pressure and autospectra were shown to be generally consistent with the prior results. The peak frequency and the fall-off rate of autospectra demonstrated the shear layer-originated nature of pressure fluctuations. The coherences and wavenumber spectra in the streamwise and spanwise directions were indicative of the presence of dual modes in pressure; one is associated with the large-scale vortical structure in the low-frequency region and the other is the boundary-layer-like decaying mode in the high-frequency region.
Time-dependent characteristics of wall pressure fluctuations in separated and reattaching flows over a backward-facing step were investigated by means of continuous wavelet transform. Emphasis was placed on the combination of time-localized analyses of wavelet transform and multi-point measurements of pressure fluctuations. Synchronized wavelet maps revealed the evolutionary behavior of pressure fluctuations and gave further insight into the modulated nature of large-scale vortical structures. It was found that there exist two modes of shed vortices: one is the global oscillation and the other is the vortex convection. The two alternating modes are synchronized with the flapping frequency component of pressure fluctuations. The flapping motion gives rise to the difference in pressure spectra, indicating more intensive pressure activity during the shrinking period of the recirculation region.
PVDF (polyvinylidenefluoride) 필름을 이용한 새로운 형식의 다중배열 압력센서를 개발, 그 특성을 조사하였다. 1/8 인치 B\&K 마이크로폰을 기준압력 센서로 활용하여 추정된 압력측정계의 전달함수를 이용하여 PVDF 압력신호의 동적보정 (dynamic calibration)을 실시하였다. 이 결과 비정상 압력신호의 시계열 (time history) 을 재생하였다. 재생된 압력신호는 시간 및 주파수 영역에서 공히 기준센서의 신호와 좋은 일치를 보이고 있다. 이와 같이 개발된 센서를 이용하여 2차원 난류 채널 유동장에서 벽압력변동을 측정하였다. 측정된 데이터로부터 다양한 주파수 통계량을 계산하였다. 본 연구에서 계산된 통계량들은 이론적 예측치 및 기존의 관련 문헌의 결과들과 만족할 만한 일치를 보이고 있다. 이러한 결과는 본 센서를 복잡한 난류 유동장에서 사용함에 있어서 높은 신뢰성을 뒷받침하고 있다.
다음 단계로서 후향계단 주위의 난류 박리 재부착 유동에서의 벽압력변동을 측정하였는데 여기에서는 흐름 방향 및 횡방향으로 정렬된 32개의 마이크로폰 어레이를 사용하였다. 흐름방향의 불균일성을 특별히 고려하여 압력변동의 주파수 통계량을 면밀히 조사하였다. 압력변동의 근평균제곱치 (root mean sqaure)의 흐름방향 분포와 각 지점에서의 스펙트럼과 같은 일점통계량 (one-point statistics)은 이전의 실험 및 수치해석 연구와 일치하는 경향을 나타내고 있다. 스펙트럼의 최대 주파수 및 고주파 영역에서의 기울기로부터 압력변동이 주로 박리전단층의 대형와구조로부터 기인함을 발견하였다. 흐름방향 혹은 횡방향의 코히어런스나 파수 스펙트럼과 같은 이점통계량 (two-point statistics)은 압력변동의 공간적 구조의 이원적인 구성을 나타내고 있다. 첫째는 저주파수 영역에서의 대형와구조와 관련된 응집모드 (coherent mode)이고 둘째는 고주파수 영역의 경계층과 유사한 감쇠모드 (decaying mode)이다.
앞서 측정된 압력변동의 시간적인 간헐적 특성을 규명하기 위하여 연속적 웨이블릿 변환 (continuous wavelet transform)을 수행하였다. 본 연구에서는 특히 웨이블릿 변환의 장점인 비정상 주파수 해석과 다중배열 동시압력측정을 결합하여 여러 유동지점에서 동기화된 (synchronized) 웨이블릿 분포도를 얻을 수 있었다. 그 결과 압력변동이 시공간적인 발달특성 뿐 아니라 극저주파 플래핑 운동에 의하여 변조된 대형와구조의 거동을 심도 있게 관찰할 수 있었다. 플래핑 운동의 위상에 따라서 와구조는 전체적 진동기 (global oscillation period) 및 대류와동기 (vortex convection period) 의 두 시기에 따라 뚜렷하게 구분되는 시공간적 거동을 보인다. 또한 재순환구역 및 재부착구역에서 이 두시기의 압력변동의 에너지는 서로 다른 분포를 보인다. 이는 재순환구역의 수축이 일어나는 플래핑 운동의 반주기 동안 압력변동이 확장기와 비교하여 상대적으로 더욱 왕성함을 나타내고 있다.
