[논문 리뷰] Assessment of skin-friction-reduction techniques on a turbulent wing section

Marco Atzori, Ricardo Vinuesa외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 10.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 12인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 Re_c = 200,000에서 NACA4412 공기역학체 표면의 난류 경계층에서 균일한 공기 분사가 표면 마찰 저감 기법으로서의 효과를 조사한다. 잘 해상도를 확보한 대류모의(LES)를 통해, 분사로 인해 제어 영역에서 표면 마찰이 17% 감소하는 것으로 나타났지만, 압력 항력이 증가하여 양력 감소와 항력 변화 없음으로 인해 기계적 효율이 2% 감소하였다.

ABSTRACT

The scope of the present project is to quantify the effects of uniform blowing and body-force damping on turbulent boundary layers subjected to a non-uniform adverse-pressure-gradient distribution. To this end, well-resolved large-eddy simulations are employed to describe the flow around the NACA4412 airfoil at moderate Reynolds number 200, 000 based on freestream velocity and chord length. In the present paper we focus on uniform blowing and the conference presentation will include a comparison with body-force damping applied in the same region. The inner-scaled profiles of the mean velocity and of selected components of the Reynolds-stress tensor are examined and compared with the uncontrolled cases. It is known that uniform blowing and adverse-pressure gradients share some similarities in their effect on the boundary layers, and our results will show that these effects are not independent. The behaviour of the skin-friction coefficient is analyzed through the FIK decomposition, and the impact of this control strategy on the aerodynamic efficiency of the airfoil is discussed.

연구 동기 및 목표

• 비균일한 부압력구배(APG) 조건 하에서 균일한 분사가 난류 경계층에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 분사에 의한 표면 마찰 저감이 날개 단면의 전체 기계적 효율을 향상시키는지 평가하는 것.
• FIK 분해를 사용하여 분사와 APG 효과 간의 표면 마찰 저감 물리 메커니즘을 비교하는 것.
• 내부 스케일 변수를 사용한 평균 속도 및 레이놀즈 응력 프로파일에 대한 분사의 영향을 평가하는 것.
• 유동 역사를 고려한 상류 조건이 고APG 영역에서 분사의 효과성에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• Re_c = 200,000에서 스펙트럴 요소 코드 Nek5000를 사용한 잘 해상도를 확보한 대류모의(LES) 수행.
• LES의 안정성과 수치적 강건성을 확보하기 위해 명시적 정규화 방법(ADM-RT)을 적용.
• L_x = 6c, L_y = 4c, L_z = 0.2c인 C-메쉬를 사용하며, 내부 단위에서 해상도는 Δx⁺ = 18, Δyₙ⁺ = (0.64;11), Δz⁺ = 9이다.
• 벽면에서 수직 성분 속도가 0이 아닌 조건을 적용하여 균일한 분사를 구현하고, 슬립 조건을 대체.
• x/c = 0.1에서 부피력에 의해 흐름을 트리거하여 난류를 유도하며, 실험적 트리핑 스트립을 모의.
• 표면 마찰 저감에 기여하는 압력구배, 대류, 점성 응력 기여도를 분석하기 위해 FIK 분해를 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 균일한 분사는 NACA4412 공기역학체의 APG 난류 경계층에서 평균 속도 및 레이놀즈 응력 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 분사에 의한 표면 마찰 저감의 메커니즘은 무엇이며, 부압력구배에 의한 것과 어떻게 다를까?
• RQ3 양력과 항력 변화를 고려할 때, 균일한 분사는 공기역학체의 기계적 효율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 다양한 수준의 부압력구배를 가진 영역에서 분사의 효과성은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 고-β 영역에서 분사 조건 하에서 관측된 표면 마찰 감소에 있어 유동 역할은 무엇인가?

주요 결과

• 균일한 분사는 Re_c = 200,000에서 제어 영역(0.24 < x/c < 0.86)에서 표면 마찰 계수를 17% 감소시킨다.
• FIK 분해 결과, 분사에 의한 표면 마찰 저감은 주로 개발항(term)에 의해 주도되며, 특히 수직 성분 속도에 기인하지만, APG의 경우 주로 압력구배항에 의해 영향을 받는다.
• 17%의 표면 마찰 감소에도 불구하고, 벽면 압력 분포 변화로 인한 압력 항력 증가로 인해 항력 계수 C_d는 거의 변화가 없었다.
• 양력 계수 C_l는 약간 감소하여, 제어되지 않은 경우 대비 기계적 효율(C_l/C_d)이 2% 감소하였다.
• 부압력구배 매개변수 β는 레이놀즈 수에 거의 영향을 받지 않으며, 이는 Re_c = 200,000을 대표적인 사례로 사용하는 것이 타당함을 입증한다.
• 분사의 효과는 고APG 영역에서 더 뚜렷하지만, 그 원인으로는 수직 대류 증가 또는 상류 역사 영향 여부가 아직 명확하지 않다.