전단자유 표면을 이용한 후향 계단 주위 난류 박리수포 제어

Abstract

후향 계단(backward-facing step)에서 계단 높이로 무차원화한 레이놀즈수 5100의 난류 경계층 유동을 주었을 때, 전단자유조건(shear-free condition, SFC)을 이용하여 난류 박리수포를 제어하고 혼합을 증진하는 연구를 수행하였다. 정밀한 해석을 위해 직접수치모사 기법(direct numerical simulation, DNS)을 적용하였다. 전단자유조건은 후향 계단의 상류에 설치하였고, 변수는 폭 방향 양 끝에 위치한 전단자유조건 사이의 거리를 고려하였다. 혼합증진은 후향 계단의 유동 구조 중 박리-재부착 유동 구조를 통해 간접적으로 측정하였다. 제어 결과, 재부착지점이 제어하지 않은 경우보다 약 5.4% 감소하였다. 이 경우, 전단자유조건의 미끄러짐 속도로 인해 박리 이후의 주 유동 방향의 평균 속도와 난류섭동이 증가하였다. 또한, 가장 최적화된 전단자유조건 간격일 때, 폭 방향에 대한 압력계수의 변화폭이 가장 크게 유지되는 것을 확인하였다. 이러한 특징은 후향 계단에서 혼합증진의 메커니즘과 동일하며, 이로부터 전단자유조건으로 후향 계단에서 혼합을 증진시켰다 판단하였다.