[논문 리뷰] DNS of heat transfer in a transitional channel flow accompanied by a turbulent puff-like structure

Takahiro Tsukahara, Kaoru Iwamoto외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 03.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 저마찰 레이놀즈 수(Reτ = 60–180)에서 전이 상태 채널 유동의 열전달을 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 통해 조사하며, 局부적인 난류 패킷 유사 구조의 역할에 초점을 맞춘다. 패킷은 Reτ = 60까지 난류를 유지하며, 측면 방향의 부차적 흐름을 유도하여 운동량 및 열전달을 향상시켜, 매우 낮은 레이놀즈 수에서도 난류 흐름보다 훨씬 높은 투명수(Nusselt 수)를 유도한다.

ABSTRACT

Direct numerical simulations of turbulent heat transfer in fully-developed channel flows have been performed in a range of friction Reynolds number between 60 and 180, based on the friction velocity and the channel half width $δ$, with emphasis on a puff-like structure, large-scale spatial intermittency. For the Reynolds numbers lower than 80 with a large computational domain of 51.2 x 2 x 22.5, the turbulent puff was observed and its significant influences on the momentum and heat transports were found. The spatial structure of the equilibrium puff, or the localized turbulence, was examined with taking account of two different thermal boundary conditions: the uniform heat-flux heating and the constant temperature difference between the walls. It was revealed that there existed a localized strong turbulent region in the form of an oblique band, along which a spanwise secondary flow was induced. In consequence, at the present lowest Reynolds number as low as 60, the flow remained turbulent and the larger Nusselt numbers than those without puff was obtained by the presence of puff.

연구 동기 및 목표

• 저레이놀즈 수에서 전이 상태 채널 유동의 국소적 난류 패킷 유사 구조가 열전달에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 공간적 간헐성 존재 하에서 패킷이 운동량 및 열전달에 미치는 영향을 검토하기 위해.
• 균일한 열유속과 벽면 온도 차이가 일정한 두 가지 열적 경계 조건 하에서의 열전달 특성을 비교하기 위해.
• 패킷 구조가 Reτ가 60에 이르는 낮은 수준에서도 난류를 유지하고 스칼라 전달을 향상시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 패킷의 난류 영역 내에서 부차적 흐름과 줄무늬 형태의 구조가 수행하는 역할을 분석하기 위해.

제안 방법

• 전체적으로 발달된 채널 유동에 대한 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 수행하여 마찰 레이놀즈 수 범위가 넓은 영역(Reτ = 60에서 180까지)을 다루었다.
• 전이 상태 흐름의 특징인 기울인 형태의 기하학적 패턴을 갖는 장축 패킷 유사 구조를 해석하기 위해 큰 계산 영역(최대 51.2δ × 22.5δ)을 사용하였다.
• 균일한 열유속과 벽면 간의 온도 차이가 일정한 두 가지 열적 경계 조건을 시뮬레이션하였다.
• 벽면 단위(y+)를 비차원화하여 평균 속도 및 온도 프로파일을 분석하였다.
• 벽면 마찰 응력과 평균 유량 온도를 기반으로 표준 비차원 정의를 사용하여 마찰 계수(Cf)와 투명수(Nu)를 계산하였다.
• 패킷의 난류-난류 경계면 주변의 난기류 및 부차적 흐름의 공간적 구조를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Reτ ≤ 80에서 패킷 유사 구조의 존재가 전이 상태 채널 유동의 열전달에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 패킷에 의해 유도된 측면 방향의 부차적 흐름이 운동량 및 열전달 향상에 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 패킷 영역 내의 평균 속도 및 온도 프로파일은 완전한 난류 흐름 또는 난류 흐름과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 낮은 레이놀즈 수에서 비패킷 케이스에 비해 패킷이 투명수를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 패킷 구조, 줄무늬 형태의 구조, 국소적 난류 강도 증가 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 패킷 유사 구조는 안정적으로 유지되며 Reτ = 60까지 난류를 유지하여 매우 낮은 레이놀즈 수에서도 난류화를 방지한다.
• 측면 방향의 부차적 흐름에 의해 유도된 기울기 약 24°의 기울인 기하학적 패턴을 가진 국소적 강한 난류 영역이 형성된다.
• 패킷은 마찰 계수와 열전달을 모두 향상시켜, Reτ ≤ 64에서 비패킷 흐름보다 투명수가 뚜렷이 높아진다.
• 패킷이 존재하는 경우의 평균 투명수는 Reτ = 60에서도 경험적 난류 상관관계에 가까운 수준을 유지하여 지속적인 열전달 향상을 시사한다.
• 패킷 영향을 받는 흐름 내의 평균 속도 및 온도 프로파일은 비패킷 케이스에 비해 레이놀즈 수 의존성이 약해지며, 이는 Reτ 변화에 대한 민감도 감소를 나타낸다.
• 패킷의 간헐적 난류 영역 내에서는 완전한 난류 흐름에서 흔히 관찰되는 줄무늬 형태의 구조가 관측되어, 발달한 난류와 부분적으로 유사성을 보인다.