This study investigated the spatial features of large-scale motions (LSMs) and the influence on turbulence statistics in wall-bounded turbulent flows. Among the LSMs in a broad sense, very-large-scale motions (VLSMs) were also focused. To this end, direct numerical simulations (DNS) for large computational domains were performed to obtain flow fields of zero-pressure-gradient (ZPG) canonical flows, as well as presence of pressure gradient and inhomogeneous fluid property. From channel flow simulation, a streak detection method based on the streamwise velocity fluctuations was used to individually trace the cores of LSMs and VLSMs. The temporal features of the low-speed streaks in the outer region revealed that growing and merging events dominated the LSMs ($1-3\delta$). The VLSMs ($>3\delta$) were primarily created by merging events, and the statistical analysis supported that the merging of large-scale upstream structures contributed to the formation of VLSMs. Comparison of turbulent pipe and channel flows at the same friction Reynolds number showed that population density of LSM is large in the outer region of pipe flow than that of channel flow. The large cross-stream components of turbulence intensity were explained by the population trend. Conditionally-sampled statistics revealed that the VLSMs contributed to formation of the secondary peaks of the streamwise normal stress. Adverse pressure gradient (APG) affected that the streamwise component of the turbulence intensity was significantly increased in the outer region of the axisymmetric internal flow. The swirling motions of the individual hairpins in the outer region were stronger in the APG flow than in the ZPG flow. The current study provides insight into the effects of pressure gradient and local viscosity on the structures as well as analysis of the LSMs and VLSMs in canonical flows. In order to apply the findings in canonical flows to engineering applications, the effect of temperature-dependent viscosity on the turbulence statistics and skin-friction were investigated. An empirical relation of temperature-dependent viscosity for water was adopted. In the heated flows, the turbulence energy diminished in the buffer layer, but increased near the wall. The enhanced turbulence energy near the wall was attributed to enhanced transfer of energy via additional diffusion-like terms due to the viscosity stratification. Wall heating resulted in reduction in the skin-friction coefficient by up to 26%. An evaluation of the different contributions to the skin-friction demonstrated that drag reduction was primarily due to the changes in the Reynolds shear stresses across the boundary layer. The Reynolds shear stress in the low-speed VLSM contributed to increase of the skin-friction coefficient in the downstream due to the large Reynolds number. Furthermore, the present study elucidated the effect of temperature-dependent viscosity on the normalized temperature (scalar) field and heat transfer rate. A temperature-dependent Prandtl number arose due to the variable viscosity, and influenced the wall-normal distribution of the scalar field. Due to the wall-normal gradient of viscosity, the wall-normal distributions of both the mean scalar and the scalar fluctuations were decreased near the wall. The modification of near-wall velocity field leads to an enhanced scalar transfer rate. This work provides a complete description of turbulent liquid flow near a heated surface.
점착 조건이 있는 벽 주변의 난류 유동, 다시 말해 벽난류는 강한 평균 전단에 의하여 비등방성이 강한 특징이 있다. 벽이 가지는 점착 조건으로부터 유동의 특징이 부여되므로, 벽의 형태에 따라 유동의 특성이 달라진다. 그 뿐만 아니라, 모든 유체 유동의 지배 방정식인 나비에-스톡스 방정식이 난류 유 동에서도 만족되므로, 압력 구배와 레이놀즈 수(점도와 밀도의 비) 또한 난류 유동에 영향을 주는 주요 인자가 된다. 따라서 본 연구에서는 벽난류에 영향을 미치는 벽의 형태, 압력 구배, 국부적인 레이놀즈 수의 영향을 종합적으로 고찰하였다. 특히, 여기서 언급한 인자에 의해 결과적으로 나타나는 난류 통계량의 차이를 근본적으로 설명하기 위하여 난류 구조를 조사하였다. 직접 수치 모사를 이용하여 난류 구조의 개별적인 형태 및 유동장에 미치는 영향을 구조의 규모에 따라 조사하였고, 더 나아가 난류 구조의 분포 경향을 조사하여 결과적으로 난류 통계량의 차이를 야기하는 구조의 강도와 밀도를 연구하였다. 이 연구의 결과는 난류 모델의 개선 및 유동 제어 기법 개발에 있어 밑거름이 되므로, 광범위한 영역에서 난류 유동의 본질을 더욱 명확히 하였다는 점에서 의의를 지닌다.
난류 구조에 관한 학계의 관심은 초기의 머리핀 형태의 작은 와류 구조부터 머리핀 형태의 와류가 다발을 이루어 떠다니는 대형 난류 구조로, 그리고 대형 난류 구조 보다 더 큰 거대 난류 구조까지 많은 연구자들의 이목을 집중시켜왔다. 본 연구에서는 직접 개발한 방법으로 거대 난류 구조를 검출하였고, 거대 난류 구조가 대형 난류 구조 사이의 대류 속도가 달라져 서로 추돌하는 것임을 밝혔으며, 대류 속도의 차이는 주 유동 방향 섭동의 강도에 따라 달라짐을 발견하였다. 이와 같은 과정을 통해 형성된 거대 난류 구조는 수직 방향으로 성장한 후, 외부역의 평균 전단에 의하여 분리되는 과정을 겪는 것으로 확인하였다. 외부역의 평균 전단이 벽의 형태에 따라 다르므로, 관내 유동과 평판 사이의 유동이 대형 및 거대 난류 구조의 관점에서 서로 다른 외부역의 특징을 나타낸다는 점을 알 수 있다. 이러한 구조가 난류 통계량에 미치는 영향으로는, 물리적인 공간에서 검출된 평균 속도에 비해 느린 대형 및 거대 난류 구조가 외부역의 난류 강도를 높이는 데에 기여함을 확인하였다. 평균 속도에 비해 빠른 대형 및 거대 난류 구조는 내부역의 난류 강도를 높이는 데에 기여하였다. 이 결과는 매우 큰 레이놀즈 수 유동에서 발견되는 외부역의 강한 난류 강도는 느린 거대 난류 구조에 의한 결과임을 시사한다. 역압력 구배가 있을 때에는 평균 유속이 감소하는 대신 외부역의 난류 강도가 증가하는 역할을 하였다. 그에 따라 난류 구조가 공간적으로 더 큰 형태를 가지며, 난류 구조와 통계량 간 관계를 직접적으로 해석할 수 있는 가능성을 보여 주었다. 끝으로, 국부적인 레이놀즈 수의 차이에 따른 유동의 변화에 착안하여, 표면 마찰 저항의 감소와 열전달의 증가를 이끌기 위한 방안을 모색하였다. 실제 유체는 온도에 따라 점도와 밀도를 비롯한 물성치가 변하며, 특히 액체의 경우에는 온도가 증가할수록 점도가 크게 감소하는 특징이 있다. 따라서, 가열된 벽 주변에서는 점도 감소로 인해 평균 유속이 증가하고 난류 거동이 왕성해졌으나, 외부역에서는 점도가 변하지 않는 경우에 비하여 평균 전단률이 감소하며 난류 거동 또한 약해졌다. 그 결과, 국부적인 물성치 변화를 고려한 실제에 가까운 유동은 물성치가 변하지 않는다는 조건으로 가정하였던 결과에 비하여 표면 마찰 저항이 크게 감소하고 열전달률이 증가하는 결과를 보여주었다. 대형 및 거대 난류 구조는 전단 응력에 의한 표면 마찰 저항 중 60%에 이르는 기여도를 나타내었다. 유동 구조의 변화로 증명한 수동적인 유동 제어 기법으로서, 선박 주변 유동이 나 냉각수 유동 등 작동 유체가 액체이고 충분한 폐열이 있는 경우 이용 가능한 결과로서 의미를 가진다.
