This thesis contains comprehensive features of stagnation region flow and heat transfer under the free-stream turbulence for the first time as far as the author's knowledge. Parametric studies on the effect of free-stream turbulence are performed by using the organized inflow disturbances which mimic the free-stream turbulence. Details on the variations of flow and temperature fields by the amplified streamwise vorticity in the presence of organized inflow disturbances are presented. Three regimes of streamwise vorticity are found "damping", "attached amplifying" and "detached amplifying" regimes, and it is shown that each regime has its typical flow and thermal characteristics. Furthermore, the mechanism of breakdown of Reynolds analogy is also addressed under the organized inflow disturbances. It is found that the pressure fluctuations, the wall blocking and the Lamb vectors are responsible for the breakdown.
Direct numerical simulations (DNS) of stagnation region flow and heat transfer with the free-stream turbulence are conducted where the length scale and intensity of the free-stream turbulence are selectively chosen based on the results of the organized inflow disturbances. The turbulence statistics of flow and temperature fields in the "detached amplifying" regime are collected. It is revealed that the velocity pressure and turbulence transport terms play significant roles, compared to the statistics of other canonical flows such as channel flow and mixing layer flow. A systematic analysis on the mechanism of wall heat transfer enhancement in the stagnation region with the free-stream turbulence is performed by using the DNS results. A new mechanism of the wall heat transfer enhancement and breakdown of Reynolds analogy is proposed where the vorticity dynamics and its direct consequences on the flow and temperature fields are examined.
In Appendices, details on numerics developed originally for the present numerical simulations are described. Methods of free-stream turbulence, optimized schemes and numerical boundary conditions are created by the author for better numerical efficiency.
본 논문은 정체점 주변의 유동장과 온도장에 관해서 폭 넓게 연구를 수행한 결과를 이 분야에서 처음으로 나타내고 있다. 자유 흐름 난류의 인자연구는 조직적 입구 유동의 방법으로 수행했다. 정체점 주변에 조직적인 입구 유동이 있는 경우에 유동장과 온도장은 3가지 영역으로 구분됨을 발견했다. (“damping", "attached amplifying" and "detached amplifying" regimes) 각각의 영역에서 고유의 유동장과 온도장의 특성이 있음을 또한 발견했다. 정체점 벽면의 열전달 과대 증가에 대한 이유에 대한 연구를 조직적인 입구유동을 이용하여 규명하였다. pressure fluctuation, wall blocking, Lamb vector가 열전달 증가에 기여를 함을 알 수 있었다.
직접 수치 모사 (DNS)에서 조직적인 입구 유동의 인자 연구를 통해서 얻은 자유 흐름 난류의 길이 척도와 강도를 선택적으로 사용하여 결과를 얻었다. “detached amplifying" regime의 DNS에서 난류 statistics를 얻었고, 이에 의하면 정체점의 statistics는 velocity pressure, turbulence transport의 항목이 중요한 역할을 하는 것이 다른 유동 (channel flow 또는 mixing layer flow)과 다른 것을 알 수 있었다. 또한 자유 흐름 난류가 존재하는 경우 과도한 벽면 열전달 증가 메카니즘을 DNS 결과를 통해서 얻을 수 있었다. vorticity dynamics와 이에 의한 유동장과 온도장의 반응을 새롭게 정립을 해서 새로운 메카니즘을 제시하였다.
Appendices에서는 수치모사에 필요해서 새롭게 개발한 계산 도구들을 보여주고 있다. 자유 흐름 난류 생성 방법, optimized schemes, numerical boundary conditions에 대한 저자의 독창적인 생각을 프로그램화하여 수치계산 효율 증대를 꾀하고 있다.
