The effects of inflow pulsation on the flow characteristics and mixing properties of turbulent confined coaxial jet flows have been studied. Large eddy simulations were performed at Re = 9000 and the mean velocity ratio of the central to annular jet was 0.6. Pulsation was generated in the inflow jet by varying the flow rates. First, inflow pulsation was applied at frequencies in the range 0.1 < St < 0.9 while other parameters were fixed. The pulsation frequency responses were scrutinized by examining the phase- and time-averaged turbulence statistics. The pulsation frequencies St = 0.180 and 0.327 were found to produce the largest enhancement in mixing and the largest reduction in the reattachment length respectively. The effects of the phase difference between the two inflow jets at these two optimal frequencies were then investigated. The optimal phase difference conditions for mixing enhancement and the reduction in the reattachment length were obtained when the strength of the outer vortices was high. Further, we found that the strength of the inner vortices was reduced by varying the phase difference, and the reattachment length was minimized, and that if the strength of the inner vortices was increased, mixing was enhanced.
The flow in an axisymmetric contraction fitted to a fully developed pipe flow is numerically studied. The reduction in turbulence intensity in the core region of the flow is discussed on the basis of the budgets for the various turbulent stresses as they develop downstream. The contraction generates a corresponding increase in energy in the near-wall region where the sources for energy production are quite different and of opposite sign compared to the core region, where these effects are caused primarily by vortex stretching. The vortices in the pipe become aligned with the flow as the stretching develops through the contraction. Vortices which originally have a spanwise component in the pipe are stretched into pairs of counter-rotating vortices which become disconnected and aligned with the mean flow. The structures originating in the pipe which are inclined at an angle with respect to the wall are rotated towards the local mean streamlines. In the very near-wall region and the central part of the contraction the flow tends towards two-component turbulence, but these structures are different. The streamwise and azimuthal stresses are dominant in the near-wall region, while the lateral components dominate in the central part of the flow. The two regions are separated by a rather thin region where the flow is almost isotropic.
동축제트는 중심제트가 환형제트에 둘러싸인 형태로 두 유동의 혼합이 필요한 곳에 주로 사용되고 있으며 대부분의 가스터빈연소기나 폐가스 처리 같은 분야에 공학적으로 응용이 되고 있다. 동축제트의 경우 중심제트와 환형제트 사이와 환형제트와 주위 유동 사이에 서로 다른 속도비와 난류량 분포를 갖는 두 개의 전단층이 존재하고 이러한 전단층은 상호작용과 혼합을 거치면서 발달하고 병합되기 때문에 동축제트에 대한 상세한 연구가 발달하는 전단층을 갖는 난류 유동의 특성을 이해하는데 많은 도움이 된다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 레이놀즈 수 9000과 중심제트와 환형제트의 평균속도비 0.6에 대한 동축제트 난류 유동과 물질전달에 대한 수치해석을 수행하였다. 여기서 레이놀즈 수는 환형제트의 평균속도와 환형제트의 바깥 반지름으로 무차원화되었다. 먼저 대형 와 모사를 위한 코드를 개발하고 동축제트 유동장과 물질전달에 대한 수치해석을 수행해서 기존의 수치적 연구에서 밝혀진 평균속도, 난류강도, 혼합 분포를 얻었다. 이후 무차원화된 가진주파수를 0.1에서 0.9까지 변화시키면서 입구유동 가진이 있는 경우 난류 동축제트 유동의 반응을 살펴보았다. 정확한 입구유동 조건을 위하여 유량 가진이 있는 난류 환형관 및 난류 관 유동에 대한 계산을 수행하여 동축제트의 입구유동으로 사용하였으며 이때 가진의 크기는 각각 5%와 20%를 사용하였다. 여러 가진주파수에 대하여 대형 와 모사를 수행한 결과, 이러한 가진의 효과가 가장 큰 특정 주파수가 존재함을 확인하였다. 최적 주파수는 0.180과 0.327로 각각 주파수에서 혼합 효율 증가 및 재부착길이 감소 효과가 가장 증가하였다. 가진된 입구유동 위상차에 의한 효과를 확인하기 위해 두 최적 주파수에서 위상차를 변화시키면서 수치해석을 수행한 결과, 위상 평균된 와 구조의 강도로부터 혼합 효율 증가 및 재부착길이 감소 현상은 바깥쪽 와 구조의 회전강도가 강한 경우 발생하고 이때 안쪽 와 구조의 회전강도가 증가하면 혼합 효율 증가 특성을 회전강도가 감소하면 재부착길이 감소 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.
다음으로 축대칭 수축관 내의 난류 유동에 대한 직접수치모사를 수행하였다. 효율적인 직접수치모사를 위한 코드를 개발하고 수축관 내의 유동장에 대한 수치해석을 수행하여 기존 실험적 연구들에서 밝혀진 난류 강도 감소 및 순압력 구배가 형성된 압력 분포를 얻었다. 주유동방향 난류강도가 벽면과 중심영역에서 서로 다른 경향을 갖는 것을 확인하였고, 레이놀즈 응력 수송 방정식으로부터 난류 섭동 성분간의 에너지 분배가 직관과 달리 대류항에 의해 발생함을 확인하였다. 수축으로 인해 원주방향 와 구조의 회전축이 주유동방향으로 바뀌고 주유동방향 와 구조가 스트레칭되면서 회전 강도가 증가함을 알 수 있었다. 선형적평가 기법을 활용하여 레이놀즈 전단 응력의 생성에 가장 기여도가 높은 유동 구조가 헤어핀 모양의 구조에서 서로 반대로 회전하는 주유동방향의 두 개의 긴 와 구조로 변화함을 확인하였다.
