An experimental study is carried out to investigate the three-dimensional separated flow characteristics on and over the free-end zone of a finite circular cylinder (aspect ratios of 1.25 and 4.25) mounted on a flat plate.
Firstly, a flow visualization using the oil streak-line method and the smoke-laser light sheet arrangement is carried out to grasp the three-dimensional separated flow pattern limited to over the free end surface region. The experiment is performed for the cases of two Reynolds numbers: $5.92 × 10^3$ and $1.48 × 10^5$. An owl-faced configuration of various kinds of singular points (two focal points and a saddle point in the fore-half portion on the free-end surface and two nodes and saddle point in the rear-half portion) is disclosed from the oil surface flow visualization. Critical points on the free-end surface conjectured for the visualization are topologically characterized. The smoke-laser light sheet visualization, to aid in understanding the oil streak-line pattern, clearly demonstrates that a pair of tornado-like vortices, evolving from the eyes of the owl face, march along the downstream distance over the free end surface together with a pair of side tip vortices. The owl-faced configuration on the free-end surface, the pair of tornado-like vortices, and the pair of side tip vortices are also visualized through a numerical study using a commercial CFD code (CFD-ACE).
Secondly, relation between the surface flow pattern and the local mass transfer characteristics on the free end surface is investigated using the naphthalene sublimation technique for the flow of aspect ratio of 1.25 and the Reynolds number of $1.48 × 10^5$. Several kinds of critical points on the free-end surface are also identified by the mass transfer measurement. It is found that the rate of mass transfer is largest in the vicinity of the nodes in the rear-half of the free-end surface. The Sherwood number near the node points in the rear-half portion is about twice as large as the Sherwood number near the spiral nodes in the front-half portion.
Finally, an oscillatory characteristics of the tornado-like vortex rooted on the free end is identified through the hot-wire measurement and the power spectrum analysis. The measurement is carried out around the tip of the free-end region and the wake region with various Reynolds numbers ranging from $8.22 × 10^4$ to $1.64 × 10^5$. The Strouhal number ($St=\frac{f_{peak}D}{U_∞}$; $f_{peak}$ : frequency, D : cylinder diameter, and $U_∞$ : free stream speed) in the wake region is found to be about 0.19 ~ 0.21, similar to that of two dimensional cylinder case. On the contrary, the Strouhal number for the vortical flow over the free-end surface is about 0.14 ~ 0.16 with little dependency on the variation of the reference speed in the present range of experiment.
평판에 고정된 유한 실린더 (세장비: 1.25와 4.25) 상면부에 형성되는 3차원적 박리 유동특성을 살펴보기 위해 실험적 연구가 수행되었다. 실험은 실린더 지름을 기준으로 하는 레이놀즈 수를 $5.92 × 10^3$에서 $1.64 × 10^5$까지 변화시키면서 수행되었다.
첫째로, 레이놀즈 수가 $5.92 × 10^3$와 $1.48 × 10^5$인 유동조건에서 유한 실린더 상면부에서의 유동특성을 유막법과 레이져 단층방법을 이용한 가시화 연구를 통해서 살펴 보았다. 유막 가시화를 통해, 유한 실린더 상면표면에 여러가지 종류의 특이점들로 구성되는 올빼미 얼굴 형상이 나타났으며, 이러한 특이점 들을 유동 위상학적으로 (flow topology) 구분하였다. 올빼미 얼굴 형상을 구성하는 특이점은 유한 실린더 상면표면의 전반부에 존재하는 두개의 나선형 노드(spiral node)와 그사이 존재하는 안장점(saddle point), 그리고 상면표면 후반부에 존재하는 두개의 노드점(nodal point)과 그사이 존재하는 안장점으로 구성되어 있는 것이 확인되었다. 또한, 상면표면에서 나타난 특이점들의 특성에 직접적인 원인이 되는 특이점들 위로 존재하는 3차원적인 유동의 형태가 레이져 단층 가시화를 통해 밝혀졌다. 레이져 단층 가시화를 통해서, 한 쌍의 나선형 노드에 뿌리를 둔 토네이도 형 와류(tornado-like vortex)가 실린더 상면 양쪽 끝 단에 존재하는 끝 단 와류(side tip vortex)와 함께 유한실린더 상면부에 3차원적으로 존재하는 것이 확인 되었다. 유한 실린더 상면표면에 존재하는 특이점 들과 특이점들 위로 존재하는 3차원적 와류구조가 Navier-Stokes 방정식을 푸는 수치적 계산을 통해서도 확인되었다.
둘째로, 특이점 들로 구성되는 상면표면에서의 국부적 유동 형태와 상면표면에서의 국부적 물질전달과의 상호 관계를 살펴보기 위해 나프탈렌 승화법을 이용한 물질전달 측정 실험이 수행되었다. 실험은 레이놀즈 수가 $1.48 × 10^5$이고 유한실린더 세장비가 1.25인 실험조건에서 수행되었다. 유막 가시화를 통해 나타난 특이점 들의 특성이 물질전달 특성과 직접적으로 연관 되어있음이 확인되었다. 상면표면 후반부에서의 물질전달이 평균적으로 전반부에서의 물질전달에 비해 크게 나타났다. 후반부 노드에서의 물질전달이 전반부 나선형 노드에서의 것에 비해 약 2배 정도 크다는 것이 확인되었다.
셋째로, 유한 실린더 상면표면에 존재하는 나선형 노드에 뿌리를 두고 있는 토네이도형 와류의 진동특성이 열 풍속계(hot-wire anemometry)를 이용한 와류 속도성분 측정과 이러한 속도성분에 대한 에너지 스펙트럼 분석을 통해 확인되었다. 열 풍속선을 이용한 속도 성분의 측정이 유한 실린더 (세장비 1.25) 상면부위 영역과 후류 영역에서 수행되었다. 실험은 레이놀즈 수를 $8.22 × 10^4$에서 $1.64 × 10^5$까지 변화시키면서 수행되었다. 측정된 속도 성분에 대한 에너지 스펙트럼 해석으로부터 최대 에너지를 갖는 주파수를 계측하여, 이로부터 스트롤 수 ($St=\frac{f_{peak}D}{U_∞}$; $f_{peak}$ : peak frequency, D : cylinder diameter, and $U_∞$ : free stream speed)가 계산되었다. 유한 실린더 후류에서의 스트롤 수는 약 0.19 ~ 0.21 범위의 값을 갖는 것이 확인되었는데, 이러한 범위의 값은 2차원 원형 실린더 후류에서의 Ka`rma`n 형 와류요동에 대한 스트롤 수 값과 유사한 결과를 보여준다. 한편, 유한 실린더 상면을 지나는 와류유동 속도성분에 대한 에너지 스펙트럼을 통한 스트롤 수는 약 0.14 ~ 0.16으로 계측되어 유한 실린더 상면부에 존재하는 와류에 주기성을 갖는 요동특성이 있다는 것이 확인되었다.
