A computational investigations on swirling turbulent flows with and without recirculation are presented. The emphasis is given to computational turbulence models, especially algebraic stress model. In order to develop a new version of the algebraic stress model for swirling flows, algebraic stress equations are incorporated with conventional k-ε model by the use of anisotropic eddy viscosities. For slender swirling shear flows without recirculation, the algebraic stress equations are reduced to constitutive equations which are similar to those used in the k-ε model. This approach lead to a new simple correction method for the k-ε model to be used for swirling flows without recirculation.
The computational results show that present algebraic stress model remarkably improves the prediction of single swirling jet with recirculation over the conventional isotropic k-ε model. Significant anisotropy in the turbulent diffusivity, induced by the strong swirl accompanied by flow recirculation, is correctly reproduced by the algebraic stress model. On the other hand, results of calculations of single and coaxial swirling jets without recirculation and swirling flow in an annulus with rotating inner cylinder, show that the new correction method for k-ε model is superior to previous correction methods in the computational accuracy in addition to its sound theoretical background. The new k-ε model yields very good agreement with experimental data, especially on decay rates of centerline velocity of swirling jets. The stabilizing and destabilizing effects of swirl on turbulent transport are correctly reflected in the new correction method.
선회난류에 대한 수치적 연구를 난류계산모델을 중심으로하여 수행하였다. 선회류를 재순환이 있는 강선회류와 재순환이 없는 약선회류로 분류하여, 각각에 대한 난류계산모델을 개발하였다. 강선회류에 대해서는 비등방와점성계수의 개념을 도입하여 k-ε 모델과 결합시킨 대수응력모델을 적용하였다. 재순환이 없는 약선회류에 대해서는 대수식으로 근사된 각 레이놀즈전단응력에 관한식이 k-ε 모델에서 사용되고 있는 식의 형태로 줄여질 수 있음을 발견하였고, 이로부터 약선회류에 대해 선회효과를 고려해 줄 수 있는 k-ε 모델의 간단한 수정식을 새롭게 고안하였다.
본 연구의 대수응력모델은 표준 k-ε 모델에 비해 재순환이 존재하는 단일선회분류의 평균속도성분들에 대한 계산결과를 크게 향상시켰으며, 강선회로 인해 야기되는 와점성계수의 비등방성이 이 대수응력모델에 적절히 반영되고 있음을 알 수 있었다. 반면에 재순환이 없는 약선회 단일분류, 동축분류, 그리고 내관이 회전하는 환장관내의 선회류에 대한 계산결과는 새로운 k-ε 모델의 수정식이 그 이론적 타당성뿐아니라 계산의 정확성에 있어서도 기존의 다른 수정식들에 비해 우월함을 보여주었다. 새로운 k-ε 모델은 특히 선회분류의 계산에서 중심축상의 속도붕괴율을 매우 정확히 예측하였다. 아울러 난류확산의 안정성에 대한 선회의 효과가 새로운 수정식에 의해 k-ε 모델에 적절히 반영되고 있음을 알 수 있었다.
