The direct numerical simulation (DNS) of optimal Taylor-Couette flow, turbulent boundary layer over a superhydrohobic surface and turbulent pipe flow were implemented. In the optimal condition the maximum transport of the angular velocity was achieved mainly by the convective transport. The momentum source (positive turbulent inertia) contribution to the angular velocity flux was larger than the momentum sink (negative turbulent inertia). The study of the velocity-vorticity correlations revealed the dominant contribution of vorticity stretching to the skin friction which was maximum for the optimal condition. The turbulent flow over superhydrophobic surfaces one with the straight patterns and two with divergent and convergent patterns ($P_x = 16W_z$ and $P_x = 32W_z$) were studied. The gas fraction for all was 0.5. $P_x = 32W_z$ gave 21% more drag reduction than the straight SHS due to the manipulation of the secondary flow in the y-z plane and turbulence structure. The secondary flow is in the form of streamwise vortices. Over $P_x = 32W_z$ these vortices were diminished. The ejection and sweep motions and vortical structure over $P_x = 32W_z$ were weaker. The vortex stretching had largest contribution to the skin friction and drag reduction. The reverse flow which corresponded to the negative wall shear stress was studied in turbulent pipe flow. The origin of this flow was a lateral vortex in the buffer layer. The flow statistics around these regions were determined by conditional averaging. Above them the flow was accelerated due to the larger wall-normal gradient of Reynolds shear stress. The reverse flow regions induced larger ejection locally which manifested the lateral and streamwise movement of the low speed flow. The largest contribution to the skin friction was by the wall normal gradient of spanwise vorticity. These regions lied under the negative (very) large scale motions more frequently.
본 연구에서는 최적의 Taylor-Couette 유동과 소수성 표면의 난류 경계층 및 난류 파이프 유동에 대한 직접 수치 해석을 수행하였다. 최적 조건에서 각속도의 최대 이동은 주로 대류 이동에 의해 이루어졌다. 운동량 소스 (양의 난류 관성)가 운동량 싱크 (음의 난류 관성) 보다 각속도의 변화에 더 큰 기여를 하였다. 속도 - 와도 상관 관계에 대한 연구는 와류 스트레칭의 표면 마찰에 대한 기여도가 최적의 조건에서 최대치를 가짐을 보였다. 직선 패턴의 소수성 표면과 발산 및 수렴 패턴의 소수성 표면 ($P_x = 16W_z$ 및 $P_x = 32W_z$)에서의 난류 유동을 연구하였다. 모든 가스 분율은 0.5로 설정하였다. $P_x = 32W_z$의 발산 및 수렴 패턴의 표면에서 y-z 평면과 난류 구조에서 이차적인 유동의 변화로 인해 직선 패턴의 표면보다 21% 더 큰 항력 감소를 보였다. 이차적인 유동은 유동 방향으로의 와류 형태를 나타냈으며, $P_x = 32W_z$ 이상에서는 감소되었다. $P_x = 32W_z$ 이상에서 와류구조의 이젝션 및 스윕 동작은 약화되었다. 와류 스트레칭은 표면 마찰과 항력 감소에 가장 큰 기여를 했다. 난류 파이프 유동에서 음의 벽 전단 응력에 의한 역류에 대해 연구하였다. 이 유동은 버퍼레이어에서 측면 와류에 의해 발생하였다. 주변의 유량 통계는 조건부 평균에 의해 결정되었다. 버퍼레이어 영역 밖의 유동은 레이놀즈 전단 응력의 벽에서 수직방향으로의 큰 차이에 의해 가속화되었다. 역류 영역은 국부적으로 더 큰 이젝션을 유도하였으며 이로 인해 저속 유동의 측면 및 유동 방향으로의 움직임이 더 크게 나타났다. 벽으로부터 수직한 방향으로의 횡방향 와류의 차이가 표면 마찰에 가장 큰 기여를 했다. 이 영역들은 음의 라지 스케일 움직임에서 더 자주 발견되었다.
