Direct numerical simulations (DNSs) of turbulent pipe flow at $Re_\tau$ = 180, 544, 934 and 3008 were performed. The range of the present Reynolds numbers covered being from low to high turbulent flow. $Re_\tau$ = 3008 became the highest Reynolds number in the area of pipe DNSs, which can provide clear comparison with the previous experimental studies and resolve the several controversial issues so far. Scale separation, one of the prominent features in high Reynolds number, was examined and interpreted in the perspective of turbulence structures. Scale separation between SSM and LSM (& VLSM) was achieved due to the occurrence of the strong outer energy from VLSM, whereas the power law occurred instead of the log law in the overlap layer, implying that the scale separation between the inner and outer length scales was not achieved. The contribution of the LSM was not strong enough to show the constant-stress layer in the Reynolds shear stress, which was related to the log law. LSM and VLSM, which played a significant role in the scaling, grew linearly in the statistical manner. The linearly growing behavior was consistent to the helical angles of the energetic proper orthogonal decomposition (POD) modes. The present DNS data and results could be significant in revealing the unknown nature of turbulence.
레이놀즈 수 180, 544, 934, 3008을 갖는 난류 파이프 유동에 대한 직접수치모사를 수행하였다. 레이놀즈 수 3008은 직접수치모사 연구에서는 현존하는 가장 높은 값이다. 높은 레이놀즈 수의 특징인 스케인 분리를 난류 구조 관점에서 분석하였다. 스펙트럼 공간에서는 거대 구조를 포함한 대형 구조와 작은 구조 사이에서 스케일 분리가 일어나는 것을 확인할 수 있었다. 하지만, 물리적 공간에서는 안쪽 길이 스케일과 바깥 길이 스케일 사이에서 스케일 분리가 일어나지 않음을 확인하였고, 그 결과 평균 속도에서 로그법칙 대신 파워법칙이 성립한다는 사실을 발견하였다. 이는 높은 레이놀즈 수이긴 하지만, 대형 및 거대 구조가 완전히 발달하지 못하여 그 역할이 아직 부족하기 때문이다. 구조들의 보정을 통하여 훨씬 높은 레이놀즈 수에서는 그 영향이 증대하여 스케일 분리가 일어나고 로그법칙 역시 나타날 것임을 예측할 수 있었다. 스케일링에 중요한 역할을 하는 대형 구조의 성장을 두 점 사이 상관관계와 에너지 스펙트럼을 이용한 통계적 관점으로 확인하였다. 특히, 유동방향 길이와 횡방향 길이 사이에 분명한 선형 관계가 있음을 규명하였다. 적합직교분해를 이용하여 나선 형태의 유동을 관측하였다. 강한 에너지를 갖는 적합직교분해 모드의 나선각은 대형 및 거대 구조의 선형적인 통계적 성장과 일치함을 확인하였다. 본 직접수치모사 데이터와 결과는 난류 유동의 본질을 더욱 명확히 하였다는 점에서 의의를 지닌다.
