Laminar to turbulent transition is important in the design and performance of a variety of technical applications. Majority of boundary layer flows in aerospace devices and turbo machines involve the flow transition under the effect of various factors, such as freestream turbulence, pressure gradient and separation, Reynolds number, Mach number, wall roughness, heat transfer, etc. In general, transition is classified into three different basic modes :natural transition, bypass transition, and separation induced transition. Transition in a boundary layer on a flat plate can be divided into natural and bypass transition according to the freestream turbulence level. The natural transition occurs at low freestream turbulence level(less tan 1%) with a two dimensional developing T-S wave(linear instability). If the freestream turbulence intensity exceeds 1%, then lineal stage of transition process is bypassed. This non-linear process of transition is called bypass transition.
There are a number of numerical methods to predict bypass transition in a boundary layer. Stability analysis, RANS with low Reynolds turbulence model, LES, and DNS are typical methods used for boundary layer transition simulation. DNS or LES is the most appropriate method to simulate transition, but it still has a difficulty in application because of computational cost. In the present work, the Partially Integrated Transport Method(PITM) is employed to simulate bypass transition. The PITM employs Reynolds turbulent model equations to model unresolved turbulent stresses in the framework of LES.
In the present work, we examine how the PITM performs in predicting bypass transition. The T3B case, one of the well known bypass transition cases, was chosen as a test case of this study. Effect of various inflow conditions and different grid arrangements were investigated.
층류에서 난류로의 천이는 기계의 형상과 성능을 결정짓는 중요한 요소이다. 항공기의 장치나 터보기계등에서 발생하는 경계층 천이의 경우 자유류의 난류강도나, 압력구배 혹은 박리, 레이놀즈수, 마하수, 벽면 거칠기, 열전달 등과 같은 요소들에 영향을 받는다. 일반적으로 천이는 자연 천이, bypass 천이, 박리에 의한 천이로 구분되며, 평판위에서의 경계층 천이는 자유류 난류강도의 크기에 따라 자연천이와 bypass 천이로 구분된다. 자연천이는 자유류 난류강도가 1% 미만일 경우에 2차원의 선형불안정성을 가지는 T-S의 성장으로 인해 발생한다. 만일 자유류의 난류 강도가 1% 넘어설 경우에는 자연천이과정의 선형적 과정을 건너뛰게 되며, 이러한 비선형적인 과정을 따르는 천이를 bypass 천이라 한다.
경계층에서의 bypass천이를 예측하기위한 수치적 방법에는 여러 가지가 있으며, 안정성 해석이나 저 레이놀즈수 RANS 모형, 큰 에디 모사, 직접수치해석기법이 대표적인 예이다. 천이 해석 기법으로 DNS나 LES가 예측하기 위한 적합한 방법으로 알려져 있으나, 계산 비용과 같은 문제로 인해 천이 해석에 적용하기에는 여전히 어려움이 있다. 본 연구에서는 bypass 천이를 예측하기 위하여 Partially Integrated Transport Method(PITM)을 사용하였다. PITM은 LES를 기반으로하여 레이놀즈 난류 모형의 방정식을 사용한다.
본 연구에서는 PITM을 이용한 천이 예측 성능을 확인해 보았다. Bypass 천이의 대표적인 예인 T3B 케이스를 대상으로 하여, 격자의 크기 및 다양한 입구 조건이 천이 예측에 주는 영향을 알아보았다.