Motivated from the explosive launch of the $Sphagnum$ spores, this study focuses on the vortex interaction of the vortex structures generated from two different sources; a piston jet and a translating upstream bluff body. While there exist numerous studies on the dynamics of a single vortex ring or the interaction of a vortex ring with a stationary body or a wall, little has been known on how the presence of a translating body during the formation process of a vortex ring affects the dynamics of the resulting vortex structure. Using a simplified model, the stroke of the piston and the velocity ratio between the piston velocity and the translating cap velocity were varied. From experimental results from Particle Image Velocimetry and Laser Induced Fluorescence, the dynamics of the generated vortex structures were analyzed in terms of fluid entrainment, fluid transport and circulation. We categorize the vortex structures into three different modes, attached mode, spill mode and detached mode, based on the characteristic structures observed throughout the formation process. The vortex modes are strongly affected by the velocity ratio. The attached mode, observed at the intermediate velocity ratio between the spill mode and the detached mode, shows high fluid entrainment and transport performance from its structure maintaining significantly higher entrainment fraction compared to the other two vortex modes throughout its propagation. Through the analysis of time history of the circulation of the vortex structure generated in the attached mode region, the similarity of its dynamical characteristics with a single vortex ring was observed.
본 연구는 물이끼 포자의 포자 입자 발사과정에서 착안하여 상류에 병진운동을 하는 물체로 부터 발생하는 와류와 하류에서 발사 된 제트의 전단 층 발달에 의한 와류 구조의 상호작용을 중점적으로 분석하였다. 단일 원형 와류 및 정적인 물체나 벽면과 단일 원형 와류간의 상호작용에 대한 연구는 확발히 진행된 반면 상류에 병진운동을 하는 물체가 후류에서 발생하는 원형 와류의 생성 과정에 역학적 관점에서 어떠한 영향을 주는지에 대한 연구는 크게 이루어지지 않았다. 단순화한 모델을 사용하여 입자 영상 유속계 및 레이저 유도 형광 실험을 수행하였으며, 다양한 피스톤의 스트로크와 피스톤 및 캡 구조의 병진운동 속도 비에 대해 발생하는 유동구조를 관찰하여 초기 와류의 발생 과정에서 두 와류 구조의 상호작용이 이후 유체 유입, 운송 및 순환에 어떠한 영향을 미치는지 알 수 있었다. 와류 구조는 속도 비에 가장 큰 영향을 받으며, 초기 생성과정의 특징에 따라 크게 부착형, 유출형, 분리형 3가지로 분류할 수 있다. '부착형'으로 명명한 와류 구조는 3가지 구조 중 중간 속도 비에서 관찰되며, 레이저 유도 형광 실험을 통한 유체 유입 비율을 계산한 결과 상대적으로 유출형과 분리형에 비해 큰 유입 비율 값을 병진운동 동안 유지함을 보이며 따라 유체 유입와 유체 운송의 관점에서 가장 유리함을 확인 할 수 있었다. 각 와류 구조의 순환을 계산하여 시간에 대한 변화를 관찰한 결과 '부착형'에 해당하는 와류 구조와 단일 와류 링의 역학적 유사성을 확인하였다.
