The turbulent coherent structures near the rod-roughened wall are investigated by analyzing the direct numerical simulation database of turbulent boundary layer with surface roughness (Lee et al. 2007 JFM). The surface roughness rods with the height k/δ=0.05 are arranged periodically in $Re_{\delta} \Box 9000$ flow, where δ is boundary layer thickness. The roughness sublayer is defined as the wall-normal extent above which the turbulent flow structures are not independent of the streamwise location around the roughness. The roughness sublayer based on the two-point spatial correlation is different from those given by the one-point statistics in the previous studies. Quadrant analysis and probability-weighted Reynolds shear stress reveal that the turbulent structures are not affected by the surface roughness above the roughness sublayer defined by the spatial correlations. The conditionally-averaged flow fields associated with Reynolds shear stress producing Q2/Q4 events show that turbulent vortices above the roughness sublayer are very similar at different streamwise locations. The Reynolds stress producing turbulent vortices in the log layer (y/δ=0.15, 0.3) have almost the same geometrical shape as those in the smooth wall-bounded turbulent flows, which suggests that the Reynolds stress production mechanism in the log layer is not changed due to the surface roughness.
표면 조도의 크기가 일정이상 큰 난류 유동의 직접수치모사 결과는 roughness sublayer 바깥 영역에서 난류 통계량의 종류에 따라 표면 조도의 영향이 다르게 나타나는 것을 보여 준다. 이처럼 다르게 나타나는 표면 조도의 영향을 살펴 보기 위해서는 난류 통계량에 직접적으로 영향을 주는 벽면 근처에서의 난류 구조에 대한 연구가 필요하다.
본 연구에서는 난류 통계량에 영향을 미치는 난류 구조를 파악하기 위해 Reynolds 전단응력에 가장 크게 기여를 하는 Q2와 Q4 event의 조건을 사용하여 조건부 평균된 유동장을 사용하였다. 그 결과는 표면 조도의 위치와 유무에 따라 roughness sublayer 내부에서는 표면 조도의 영향으로 난류 구조의 차이를 보였지만 sublayer 바깥 영역에서는 난류 구조의 길이 스케일과 속도 벡터 성분에서 큰 차이를 발견하지 못하였다. 이러한 결과는 상관계수, quadrant analysis 그리고 Reynolds 전단응력에 가장 크게 기여를 하는 조건의 변화에서도 같은 결과를 얻을 수가 있었다. Reynolds 전단응력에 크게 기여를 하는 난류 구조가 비슷함에도 불구하고 Reynolds 전단응력이 roughness sublayer 바깥영역에서 차이를 보이는 이유는 아마 상대적인 크기의 차이에서 오는 결과 인 것 같다. 하지만 난류 구조가 비슷하기 때문에 Reynolds 전단응력을 만들어 내는 메커니즘은 비슷한 것으로 짐작된다.
