For the last decades, turbulent boundary layer controls for drag reduction have intensively studied. Recently, the importance of these researches has was highlighted due to skyrocketing oil prices. Experimental studies were carried out to investigate the effect of local forcing on a turbulent boundary layer. When local forcing is imposed in flow field, the flow structures are modified. PIV(particle image velocimetry) was used to obtain quantitative measurements of the instantaneous flow structure and evolving dynamics of turbulent flow. Two types of local forcing were used. the first is the periodic blowing and suction through spanwise thin slot and the second is the ultrasonic forcing which generates an enormous number of microbubbles in the flow field.
The periodic blowing and suction was introduced to the boundary layer via a sinusoidally-oscillating jet issuing from a thin spanwise slot. Three forcing frequencies $(f^+= 0.044, 0.066 and 0.088)$ with a fixed forcing amplitude $(A^+=0.6)$ were employed at Reθ=690. The effect of three different forcing angles (α=60°, 90° and 120°) was investigated under a fixed forcing frequency $(f^+=0.088)$. The PIV results showed that the wall-region velocity decreases on imposition of the local forcing. Inspection of phase-averaged velocity profiles revealed that spanwise large-scale vortices are generated in the downstream of the slot and persist further downstream. The phase averaged flow fields show that the location of strong vortices generated by the local forcing is almost the same as that of the retarded velocity region. This suggests that the vortex generated by the local forcing reduces the skin friction.
The spatial fraction of the vortices was examined to analyze the skin friction reduction. The spatial fraction is proportional to the square root of the forcing frequency and inversely proportional to the convection velocity of vortex generated by the local forcing. This suggests that, as the forcing frequency increases and the blowing angle opposes the flow direction, the vortices generated by the forcing affect a wider region of the flow field. Therefore, the highest reduction in skin friction was achieved at the highest forcing frequency $(f^+=0.088)$ and a forcing angle of α=120° which has the lowest convection velocity of vortex due to the opposition blowing angle with the flow direction.
The ultrasonic forcing system was constructed by adhering six ultrasonic transducers to a flat plate over which water was flowed. When an ultrasonic transducer is driven by a high frequency electrical signal, it expands and contracts rapidly at a rate proportional to the frequency of the applied signal, causing the pressure of the liquid in contact with the transducer to change from negative to positive with respect to atmospheric pressure. When the pressure exceeds the surface tension of the cavities in the liquid, the cavities implode causing the generation of an enormous number of tiny water-vapor microbubbles.
Stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) was used to probe the flow characteristics. The SPIV results showed that imposition of the ultrasonic forcing caused a substantial increase in the mean wall-normal velocity but a decrease in the mean streamwise velocity. The ultrasonic forcing reduced the skin friction coefficient by up to 60% immediately downstream of the transducers; this effect gradually dissipated with moving downstream. The streamwise turbulence intensity was reduced near the wall but increased away from the wall, whereas the wall-normal turbulence intensity was not much affected near the wall but increased away from the wall. The Reynolds shear stress and the production of turbulent kinetic energy were reduced near the wall. Imposition of the ultrasonic forcing shifted the streamwise vortical structures away from the wall, leading to a reduction in skin friction.
국소가진 (local forcing)이 난류경계층에 미치는 영향을 마찰저항변화를 중심으로 살펴보았다. 국소가진이 가해지면 난류경계층 내의 유동구조가 변화하며 후류로 이동해나간다. 가진의 영향을 정량적, 정성적으로 살펴보기 위해 공간유동장을 관찰할 수 있는 PIV 실험 기법을 이용하였다. 작은 미소조사구간 (interrogation window)을 사용하여 공간 해상도를 향상시키기 위해 계층적 순환방법 (multi-grid iterative method)을 사용했으며 상관계수의 높은 신호비 (SNR)를 얻기 위해 이웃하는 미소조사구간이 상관계수의 곱을 이용하는 기법 (CBC; correlation based correction)을 사용하였다. 실험에서는 2가지 국소가진의 영향을 살펴보았다. 첫 번째는 횡방향의 주기적인 분사/흡입의 영향을 두 번째는 초음파 가진을 통해 생성되는 미소공기방울이 난류경계층에 미치는 영향을 살펴보았다.
횡방향의 주기적인 분사/흡입 실험에서 사용된 국소교란의 변수는 두 가지이다. 국소 교란의 주파수와 횡방향 슬롯의 분사각도이다. 본 실험에서는 국소교란의 크기는 자유단 속도의 60%로 고정시키고 $(A^+=0.6)$, 가진 주파수 $(f^+=0.044, 0.066, 0.088)$ 와 분사각도 (= 60°, 90°, 120°)의 변화에 따른 영향을 살펴보았다. 분사각도가 90°인 경우는 벽면에서 수직하게, 60°는 유동방향으로, 120°는 유동 반대방향으로 분사가 이루어지는 것이다. 유동장에 주기적인 가진이 가해지면 유동장이 주기성을 나타내기 때문에 시간에 따른 유동장의 변화를 파악하기 위해서 위상평균기법을 사용했다. 이를 통하여 마찰저항의 변화를 정량적으로 살펴보았다.
유동장에 횡방향의 주기적인 분사/흡입이 가해지면 횡방향 와류 (spanwise vortex)가 생성하며 이 와류는 후류로 이동하며 벽면과의 접촉으로 소멸하게 된다. 이렇게 생성된 횡방향 와는 바닥면에서 유동의 반대방향 속도 성분을 가지기 때문에 벽면속도를 감소시킨다. 벽면부근 속도의 감소는 점섬저층의 증가를 일으키고 이는 바로 벽면마찰계수의 감소를 동반한다. 위상평균된 유동장을 통하여 벽면속도가 감소하는 위치에 가진으로 생성된 횡방향 와가 존재하는 것을 확인함으로서 가진으로 생성된 횡방향 와가 벽면마찰저항을 줄이는 것을 확인하였다. 이 때 더 많은 와를 생성하는 고주파의 가진이 바닥면의 속도를 더 많이 그리고 오래 감소시킨다. 가장 높은 가진 주파수인 $f^+=0.088$ 인 경우 최대 75%의 벽면 마찰을 감소시켰다.
분사각도의 영향을 실험할 때는 가진 주파수를 벽면마찰이 가장 많이 감소하는 $f^+= 0.088$ 로 고정하였다. 횡방향 와는 모든 분사각도에 대해서 생성되지만 유동반대 방향으로 분사가 이루어지는 경우에서 가장 크고 강한 와가 생성되며 유동방향으로 분사되는 경우에서는 작고 약한 와가 생성되지만 후류로 이동하는 대류속도가 가장 빠르다. 의 분사는 유동반대방향으로 분사가 이루어지기 때문에 슬롯부근에서는 박리가 발생하지만 대류속도가 느린 강한 거대한 와구조가 생성되기 때문에 벽면마찰을 가장 많이 감소시킨다. 생성된 와가 후류로 빠르게 이동하는 에서는 벽면속도와 마찰저항의 감소가 가장 적다. 표면마찰 감소와 횡방향 와의 관계를 정량적으로 분석하기 위해서 와가 벽면을 차지하는 영역비율 (spatial fraction)을 알아보았다. 영역비율은 가진 주파수의 제곱근에 비례하며 와의 대류속도에 반비례한다. 따라서 가장 높은 주파수인 와 대류속도가 느린 가 높은 영역비율을 가지기 때문에 벽면 마찰을 줄이는데 더 효과적이다.
현재 실선에서 적용가능성이 가장 높은 마찰저항 감소기법은 유동장에 미소 공기방울을 유입하는 것이다. 하지만 미소 공기방울을 유동장에 직접 분사하기 위해서는 표면에 슬롯이나 홀을 뚫어 공기방울을 유동장에 유입시켜야 한다. 이런 방법은 선박의 표면에 많은 변화를 요구하기 때문에 실선에 적용하는데 많은 제약이 따른다. 본 연구에서는 유동장 내에 미소공기방울을 생성시켜 마찰 저항을 감소시키는 일환으로 초음파 가진을 이용하였다. 초음파 가진을 이용할 때의 장점은 벽면에 많은 변화를 요구하지 않는 것과 가진의 강도조절의 용이성이다.
실험에 사용된 초음파 가진은 초음파 세척기의 원리를 이용한 것이다. 초음파 진동자에 전기신호가 인지되면 진동자는 전기신호를 기계신호인 진동에너지로 변화시킨다. 높아진 진동에너지로 인해 포화증기압보다 압력이 낮아지면 물이 증기화가 되며 케비테이션이 발생한다. 이렇게 케비테이션이 발생하면 미소공기방울이 유동장 내에 생성되기 때문에 미소공기방울을 유동장에 직접 넣어주는 방법을 대체할 수 있다. 유동장의 변화 구조를 3차원적으로 살펴보기 위해 두 대의 CCD 카메라를 사용하여 SPIV (Stereoscopic Particle Image Velocimetry) 기법을 사용하였다.
초음파 가진은 미세한 케비테이션 코어를 벽면 부근에서 생성한다. 주기적인 압축과 팽창을 반복하면서 성장하는 케비테이션 코어는 표면장력 이상의 압축력에서 폭발하면서 무수히 많은 공기방울을 생성한다. 이 공기방울들은 아주 빠른 속도로 벽면에서 멀어지면서 유동방향 와류를 벽면에서 밀어낸다. 벽면마찰은 유동방향 와류의 벽면을 향하는 높은 속도 성분에 의해 크게 증가하는데 초음파 가진으로 유동장의 평균 벽면수직방향 속도가 높아지면서 유동방향 와류가 벽면에 미치는 영향이 약화된다. $x/\theta 0 \approx$ 5에서 마찰저항은 초음파 가진 후 60% 감소한다. 초음파 가진이 없을 때의 난류경계층의 벽면수직방향 속도는 거의 '0'에 가깝지만 초음파 가진 후 벽면수직방향 속도가 자유단 속도의 15%까지 크게 증가하는데 이는 초음파 가진으로 벽면수직방향 속도가 30배 이상 증가했다는 뜻이다. 이런 현상은 유동장에 공기방울이 유입되는 수치해석의 결과에서도 나타난다. 이를 통하여 초음파 가진이 공기방울을 유입하는 것과 같은 작용을 하는 것을 알 수 있다.
유동방향 와가 벽면에 미치는 영향이 약해지는 결과로 유동방향 난류강도와 레이놀즈 전단응력이 벽면에서 감소한다. 이를 정량적으로 확인하기 위해 quadrant analysis를 통하여 벽면마찰의 주요 원인인 sweep의 production이 벽면 부근에서 30% 낮아지는 것을 확인했다. 또한 벽면에서 난류 에너지 분배 (turbulant kinetic energy distribution)와 난류 에너지 생성 (turbulant kinetic energy production)이 감소하는 것을 확인했다. 기존의 DNS 결과들과 비교해볼 때 이와 같은 현상은 유선방향 와류가 벽면에 미치는 영향이 초음파 가진으로 인하여 약화된 것을 의미한다. 따라서 초음파 가진을 이용하여 직접 공기를 유동장에 주입하는 방법을 손쉽게 대체할 수 있다.