Momentum and heat transfer characteristics have been studied in a separated, reattached and then redeveloping turbulent shear layer past a two-dimensional normal fence.
Mean velocity vector and static pressure field have been measured in the whole flow field by using a 3-hole pitot tube and a hot-wire anemometer. Flow visualization, wall pressure distribution measurements have also been carried out. Streamline curvature field behind the fence has been obtained by using the data of total velocity vector field. It was found that upstream of the reattachment point behind the fence, the separated shear layer develops as a stabilizing curved mixing layer. It was also found that the mean velocity field does not follow the equilibrium boundary layer profile in the redeveloping region where the streamline curvature already vanishes at X/Xr=2.4 where Xr is the reattachment length.
Extensive single point measurements of second-and third-order moments of velocity fluctuations have been made in a separated, reattached and then redeveloping turbulent shear layer past a two-dimensional normal fence.
Near the reattachment zone, the Reynolds stresses and the triple products were found to decrease due to large eddy distortions by the effects of strong pressure fluctuations and by the presence of the solid wall boundary. Budgets in the balance equations for the turbulent kinetic energy and the Reynolds shear stress have been obtained, and they were compared with those of the free shear layer and of the boundary layer. The budget profiles change rapidly as the reattachment process progresses. The budget profiles were observed to be different from those of the equilibrium boundary layer even far downstream in the redeveloping boundary layer. It has been shown that the streamline curvature influences the turbulence structure in the separated free shear layer and that the pressure diffusion has significant contributions to the budget balances of the turbulent kinetic energy equation and the Reynolds shear stress equations.
The second-order and third-order moment profiles have been compared with predictions by various simple gradient models of the triple products using experimental values of second-order data. The comparisons shows a strong zonal dependency of the conventional closure models. It was revealed that the third-order correlations $u_iu_ju_k$ have curvature-dependent time scales.
In addition to the momentum transfer, heat transfer has also been investigated in the separated, reattached and then redeveloping turbulent boundary layer region in the two-dimensional duct with a normal fence attached on the bottom surface. The local Nusselt number distribution along the surface has been obtained as a function of Reynolds number under the condition of a constant wall temperature. It has been found that the index of a power law correlation between the local Nusselt number and the Reynolds number varies in a range of 0.6-0.8 depending on the different flow regimes.
벽면에 부착된 2차원 수직벽을 난류 경계층이 지나갈때 발생되는 박리-재부착-재발전 난류 전단층에 대한 운동량및 열전달을 연구하였다. 연구의 주 내용은 평균 유동장의 측정과 난류순간속도의 2차및 3차 모우멘트의 상세한 측정으로 난류구조를 규명하기 위한 체계적인 기본데이타를 마련 하고, 이를 토대로 적분시간및 길이척도의 조사와 함께 관성 아영역에서 비점성 평가방식으로 난류에너지 소산율을 구하여 난류운동 에너지와 레이놀즈 전단응력의 계상형상(Budget Profile)을 얻어서, 상세한 난류구조 변화에 대한 물리적 해석을 시도하였다. 아울러 실험 데이타를 바탕으로 현재 실용화되고있는 2차및 3차 모우멘트의 난류모델들을 평가하여 그 성능에 대한 정량적 비교를 행하였다. 또한 열전달 연구는 일정온도조건을 수직벽이 부착된 닥트하판에 형성시키고 수직벽 전후로 하판의 Nusselt수의 분포를 Reynolds수를 변화시켜가며 측정하였다.
평균유동장 및 압력장은 3공 피토우관으로, 난류량은 정온열선 풍속계를 사용하여 측정하였고 개략적인 유동의 현상파악을 위해 유동의 가시화도 행하였다.
결과및 결론을 요약하면 다음과 같다.
1. 측정된 평균유동장을 분석한 결과 재부착 이전의 박리전단층은 평면 혼합층과 유사한 특징을 가지나, 유선의 곡률 효과가 현저히 나타나있다.
2. 난류에너지 생성항 및 압력-변형률 항에 유선의 곡률효과로 인한 종변형률의 영향으로 재부착과 함께 레이놀즈 전단응력의 감소를 가져왔다.
3. 적분시간 척도의 선형적 증가와 측정된 스펙트럼의 형상으로부터 박리전단층의 발전은 rolled-up 와류구조의 지속적인 발생및 성장으로 판단된다.
4. 박리전단층이 벽면에 접근될때 전단응력의 평형식에서 압력-변형률 항이 크게 증가되었고, 벽면 가까이에서 3차 모우멘트의 형상이 급격히 변하였으며, 이들의 영점 교차가 최대난류강도 발생 위치보다 아래쪽에서 나타났다.
5. 재발전 경계층에서 난류 2차및 3차 모우멘트는 매우 서서히 줄어들며, 벽가까이에서의 난류생성이 오히려 벽에서 먼쪽보다 작게 나타났다.
6. 기존의 난류모델들을 평가해 본결과, 모두 유동영역에 따라 잘맞는 부분과 맞지 않는 부분이 관찰되는 지역적 적용한계성을 보였으며, 본 실험실에서 개발된 곡률 수정모델이 단순구배확산 모델보다 크게 개선된 결과를 보였다.
7. 수직벽이 부착된 벽면에서의 Nusselt수와 Reynolds수의 상관관계를 멱법칙으로 표현할때 지수는 종래의 발표와는 달리 유동의 영역에 따라 0.6에서 0.8사이의 값을 가졌다.
