Coherent structures of turbulent boundary layers (TBLs) subjected to adverse pressure gradients (APGs) were scrutinized by analyzing the database of direct numerical simulations. Equilibrium adverse pressure gradient flows were established by using a power law free-stream distribution. A ZPG flow was also examined for comparison. Population trends of spanwise vortices in APG TBLs showed that hairpin-like vortices are densely populated in the outer region of APG TBLs. These vortical structures induce low-momentum regions in the middle of the boundary layer which lead to the outer peak of the Reynolds shear stress. Wall-normal spatial characteristics of hairpin packets were investigated in the spanwise-wall-normal plane to examine three-dimensional features of the hairpin packets. Conditionally averaged velocity fields showed that there are counter rotating v-w swirling motions which represent cross-sectional evidences of the packets. Moreover, two-point correlations and linear stochastic estimations were employed to provide statistical evidence of the hairpin packet motions in the cross-stream plane of APG TBLs.
평판 위를 지나는 난류 경계층 유동은 유체역학의 기본이 되는 대표적인 유동 현상 중 하나이다. 특히 역압력구배가 있는 난류 경계층은 디퓨져, 터빈 깃 등과 유체 기계에서 흔히 관찰되며, 이러한 장치의 성능은 역압력구배에 의하여 크게 영향을 받는다. 난류 경계층에서 응집구조를 이해하는 것은 난류 유동을 이해하기 위하여 필수적이며, 역압력구배가 있는 유동의 특성을 알기 위해서는 역압력구배에 의하여 달라지는 응집구조의 거동을 명확히 설명할 필요가 있다. 본 논문의 연구에서는 직접수치모사 유동장 데이터를 분석하여 역압력구배가 있는 난류 경계층의 응집구조를 조사하였으며 압력구배가 없는 난류 경계층과 비교하였다.
횡방향 와류의 밀집 경향을 평가하여 헤어핀 와류가 역압력구배가 있는 난류 경계층의 외부역에 밀집된 분포를 보임을 확인하였다. 이들 와류는 외부역에서 강화된 저운동량역을 유발하여, 레이놀즈 전단 응력이 외부역에서 최대값을 갖도록 이끈다. 헤어핀과 반대 방향으로 회전하는 와류는 헤어핀 와류와 비교하여 현저히 낮은 밀도 분포를 나타내었으며, 이들 밀도 분포의 비율에는 긴밀한 관계가 있음을 나타내었다. 횡방향 와류와 그로부터 유발된 유동이 총 평균 전단에 기여하는 분율은 로그역에서 크게 나타났으며, 압력구배에 상관없이 횡방향 와류의 밀도와 총 평균 전단 사이에는 일정한 비율이 존재함을 확인하였다.
주 유동 방향과 수직한 평면에서 관찰되는 응집구조를 통계적 방법으로 조사하여 새로운 시각에서 헤어핀 다발의 구조를 나타내었다. 역압력구배가 있을 때, 주 유동 방향 속도의 상관계수는 강한 후류로 인하여 벽면의 영향으로부터 이탈되는 경향을 나타내었다. 조건부 평균된 유동장을 통하여 저운동량역 주변의 응집된 속도 구조의 단면을 보였고, 역압력구배가 저운동량역 주변의 난동 속도 성분을 더욱 강하게 함을 확인하였다. 끝으로, 주 유동 방향 와류와 주변 속도를 조사하여 역압력구배가 있을 때 더 넓은 영역에서 외부 난류가 벽을 향해 강하게 수송됨을 보였고, 이것은 헤어핀 와 구조의 징후를 주 유동 방향과 수직한 단면에서 역압력구배의 효과에 따라 비교한 결과이다.
