[논문 리뷰] An LES study of turbulent flow over in-line tube-banks and comparison with experimental measurements

C. Jin, I. Potts외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 26.

Fluid Dynamics and Vibration Analysis참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Re = 15,270에서 정렬된 관배열을 둘러싼 난류 유동을 모의하기 위해 동적 스마고르스키 미세스케일 모델과 벽층 모델을 사용한 대규모 난류 시뮬레이션(Large Eddy Simulation, LES)을 적용한다. 시뮬레이션은 실험적 표면 압력 분포, 항력 및 양력 계수, 그리고 소용리 주기를 정확하게 재현하며, 두 번째 열에서 최소 항력과 소용리 혼합으로 인한 복잡한 후류 구조를 보여준다.

ABSTRACT

Turbulent flow across an in-line array of tube-banks with transverse and longitudinal pitch PT /D = 2.67, and PL /D = 2.31, has been simulated successfully by Large Eddy Simulation (LES) based on the dynamic Smagorinsky subgrid scale model (SGS), in which a wall-layer model is used to reduce the computational cost. The flow structures across the tube-banks were examined through the normalized Q criterion. The surface pressure characteristics from the middle cylinder within each column of cylinders are found to agree well with the existing experimental data, as did also the values of drag and lift coefficients. These results indicate that cylinders from the second column experience the minimum drag force and maximum lift force fluctuation. Spectral analyses were performed for velocity signals sampled behind each middle cylinder axis, which show that the dominant vortex shedding frequency does not vary across the tube-banks. On this basis, we also examined the shear layer instability. Finally, we report auto-correlation functions for streamwise and cross velocity fluctuations as a function of the spanwise length.

연구 동기 및 목표

• 대규모 난류 시뮬레이션(Large Eddy Simulation, LES)과 동적 미세스케일 모델링을 사용하여 정렬된 관배열을 둘러싼 난류 유동을 정확하게 모의하는 것.
• 표면 압력, 항력 및 양력 계수에 대한 LES 예측을 실험 데이터와 비교 검증하는 것.
• 다양한 관 열에 걸쳐 소용리 주기와 난류층 불안정성의 특성을 조사하는 것.
• 소용리 혼합으로 인한 후류 복잡성 평가를 위한 속방향 속도 변동의 상관관계 분석.
• 벽층 모델링이 계산 비용을 줄이면서도 정확도를 유지하는 데 기여하는지 평가하는 것.

제안 방법

• 대규모 난류 운동을 해소하고 소규모 난류를 모델링하기 위해 동적 스마고르스키 미세스케일(SGS) 모델을 사용한 LES를 적용한다.
• 관 표면 근처의 점성 서브층을 해상하지 않기 위해 벽층 모델을 도입하여 계산 비용을 절감한다.
• 유동의 주류 및 속방향으로는 주기적 경계 조건을 적용하여 대표적인 관배열 세포를 모의한다.
• 공명성 있는 소용리와 난류 에디를 식별하기 위해 정규화된 Q 기준을 사용해 유동 구조를 시각화한다.
• 각 열의 중앙 관 뒤에서 속도 신호를 샘플링하여 스펙트럼 분석을 수행하고 주요 소용리 주기 주파수를 추출한다.
• 속방향 간격에 따라 유속 변동의 자가상관 함수를 계산하여 난류 에디의 공명성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동적 SGS 모델링을 사용한 LES는 실험 데이터와 비교해 정렬된 관배열의 표면 압력 특성을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 다양한 관 열에 걸쳐 항력 및 양력 계수는 어떻게 변동하는가? 특히 최소 항력과 최대 양력 변동을 보이는 열은 어디인가?
• RQ3 관배열 전반에 걸쳐 주요 소용리 주기 주파수는 일정한가? 실험적 및 이론적 값과 비교해보면 어떠한가?
• RQ4 접선층 불안정성은 첫 번째 열 관과 후행 열 관에서 어떻게 나타나며, 고립된 관에 대한 일반적인 값과 일치하는가?
• RQ5 속방향으로의 속도 변동은 공간적으로 어떻게 공명하는가? 상류 및 하류 관 사이에서의 차이는 무엇인가?

주요 결과

• LES 시뮬레이션은 각 열의 중앙 관에서 실험적 표면 압력 분포와 뛰어난 일치를 보이며, 유입 조건 모델링의 약간의 오차로 인한 미세한 차이 외에는 높은 정확도를 확보한다.
• 항력 계수는 두 번째 열 관에서 최소로 나타나며, 이는 실험 관측과 일치한다. 이와 동시에 양력 계수의 변동은 이곳에서 최대가 된다.
• 소용리 주기의 스트로하우프 수는 LES에서 0.153으로 도출되었으며, 실험값(Shim, 1985)인 0.152와 이론적 일반값(0.16, Roshko, 1954)에 매우 가깝게 일치한다.
• 주요 소용리 주기 주파수는 모든 관 열에서 일정하게 유지되어 관배열 전반에 걸쳐 소용리가 동기화되어 발생하고 있음을 시사한다.
• 접선층 불안정성은 첫 번째 열 관에서만 관찰되며, 고립된 관에 대한 일반값과 일치하지 않아 Brun 등(2004)의 최근 실험 결과를 지지한다.
• 자기상관 함수 분석 결과, 후행 열 관 뒤의 난류 에디는 첫 번째 열 관 뒤의 것보다 더 복잡한 공간적 구조를 보이며, 이는 인접한 열에서 유래한 소용리의 혼합으로 인한 것이다.