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Very-large-scale motions in turbulent flows = 난류유동 내의 거대난류구조에 관한 연구
서명 / 저자 Very-large-scale motions in turbulent flows = 난류유동 내의 거대난류구조에 관한 연구 / Jae-Hwa Lee.
저자명 Lee, Jae-Hwa ; 이재화
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2012].
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초록정보

Direct numerical simulation (DNS) of a turbulent boundary layer (TBL) was performed to investigate the spatially coherent structures associated with very large-scale motions (VLSMs). The Reynolds number was varied in the range Reθ=570~2560. Inspection of the three-dimensional instantaneous fields showed that groups of hairpin vortices are coherently arranged in the streamwise direction and that these groups create significantly elongated low- and high-momentum regions with large amounts of Reynolds shear stress. Adja-cent packet-type structures combine to form the VLSMs; this formation process is attributed to continuous stretching of the hairpins coupled with lifting-up and backward curling of the vortices. The growth of the spanwise scale of the hairpin packets occurs continuously, so it increases rapidly to double that of the original width of the packets. The VLSMs have a statistical streamwise coherence on the order of ~6δ; the spatial organization and coherence decrease away from the wall, but the spanwise width increases monotonically with the wall-normal distance. Finally, the application of linear stochastic estimation (LSE) demonstrated the presence of packet organization in the form of a train of packets in the log layer. DNS of a fully developed turbulent pipe flow was performed to investigate the similarities and differ-ences of VLSMs to those of TBL flows. The Reynolds number was set to ReD=35000, and the computational domain was 30R in length. The most obvious differences that arose in this comparison were that the stream-wise length of the structures in the pipe flow grew continuously beyond the log layer. In addition, the maxi-mum length of the VLSMs increased up to ~30δ with a much larger population of long structures (>3δ) than was present in the TBL flows, thereby increasing the length scale. Because an irrotational flow with a high momentum in the outer region of the TBL extended to the logarithmic layer, break-down of the streamwise coherence of the structures above the logarithmic layer appeared with the strong swirling motions and Rey-nolds shear stress in the TBL. Although the energy spectra revealed the absence of a length scale related to a very-large-scale mode, the streamwise two-point correlation provided a hint that the wavenumber at which a secondary peak occurred was approximately kx 0.45, with λx/δ=14. Consistent with our previous studies of the TBL, the time-resolved instantaneous flow fields in the pipe flow revealed that adjacent packet-type structures combined to form the VLSM by continuous stretching of hairpins coupled with the backward curling of vortices.

난류경계층 유동은 실생활에 흔히 볼 수 있는 유동 중의 하나이며, 이러한 유동의 특성은 유동 내에 존재하는 난류응집구조에 의해서 좌우되는 것으로 알려져 있다. 특히, 주 유동 방향의 난류에너지와 레이놀즈 전단 응력의 경우 거대난류구조가 절반 이상의 에너지를 차지하므로 이에 대한 보다 많은 연구가 필요하다. 본 연구에서는, 난류경계층 유동 내에 존재하는 거대난류구조의 공간적인 특징과 발생 메커니즘을 규명하기 위하여 직접수치모사를 수행하였다. 시간에 따른 유동장의 분석을 통하여, 헤어핀 다발로 구성된 헤어핀 패킷 구조가 높이에 따른 속도구배로 인하여 유동 방향으로 길게 늘어지는 것을 확인할 수 있었으며 또한 상대적으로 벽면으로부터 먼 위치에 있는 영역이 더 빠르게 흘러가면서 벽면 가까이에 위치한 영역으로 말려 들어가는 현상이 발견되었다. 그 결과, 패킷 구조는 이웃하는 다른 패킷 구조와 결합을 하게 되고 보다 긴 거대난류구조가 형성되었다. 이러한 거대난류구조는 전체 구조의 40% 이상을 차지 하는 것으로 확인되었으며 또한 레이놀즈 전단응력의 45% 이상 영향을 주었다. 이것은 거대난류구조가 레이놀즈 전단응력뿐만 아니라 난류에너지의 발생과 모멘텀의 이동에도 상당히 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. 마지막으로, 조건부 평균을 통한 통계적 유동장의 조사를 통해 헤어핀구조의 다발에 의해 헤어핀 패킷 구조가 형성되는 것을 확인하였으며, 또한 거대난류구조는 연속적인 패킷 구조에 의해 만들어지는 것을 알 수 있었다. 다음으로, 외부 유동인 난류경계층과 비교하여 대표적인 내부 유동인 난류 파이프 유동에서 거대난류구조의 유사성과 차이점을 규명하기 위하여 난류 파이프 유동의 직접수치모사를 비슷한 레이놀즈 수에서 수행하였다. 순간유동장과 2점 상관계수를 통한 길이 스케일의 비교를 통하여 파이프 유동에서의 길이 스케일이 경계층에 비해 훨씬 길게 나타나는 것을 확인하였으며 또한 파이프의 길이 스케일은 벽면으로부터 훨씬 먼 영역까지 계속해서 증가하는 것을 알 수 있었다. 이것은 난류경계층 바깥영역에 존재하는 큰 모멘텀을 가진 비회전 유동이 경계층 내부로 유입되면서 거대난류구조의 주 유동 방향의 응집성에 영향을 주기 때문인 것으로 확인되었다. 에너지 스펙트럼을 통해 거대난류구조와 관련 있는 지배적인 길이스케일이 존재하지 않고 에너지가 골고루 존재하는 것을 확인하였으나, 2점 상관계수를 통하여 대략적인 길이스케일은 kx 0.45 (λx/δ=14)에서 발생하는 것을 예측할 수 있었다. 난류경계층 유동과 비슷하게, 시간 연속적인 순간유동장의 조사를 통하여 이러한 거대난류구조는 인접한 헤어핀 패킷 타입의 연속적인 결합에 의하여 발생되는 것을 확인하였으며 이것은 헤어핀 구조의 연속적인 스트레칭과 와 구조의 말림 현상에 의해 기인되는 것을 알 수 있었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DME 12035
형태사항 x, 123 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이재화
지도교수의 영문표기 : Hyung-Jin Sung
지도교수의 한글표기 : 성형진
수록잡지명 : "Very-large-scale motions in a turbulent boundary layer". Journal of Fluid Mechanics, v.673, pp.80-120(2011)
수록잡지명 : "Direct numerical simulation of a turbulent boundary layer up to Re=2500". International Journal of Heat and Fluid Flow, 32, pp.1-10(2011)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References : p. 116-122
주제 Turbulent boundary layer
Turbulent pipe flow
Direct numerical simulation
Very-large-scale motions
난류경계층
난류파이프유동
직접수치모사
거대난류구조
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