[논문 리뷰] Effect of near-wall treatments on airflow simulations

Najla El Gharbi, Rafik Absi외 2명|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 28.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 7인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 Fluent CFD 소프트웨어를 사용한 공기 유동 시뮬레이션에서 표준 벽 함수, 비균형 벽 함수, 향상된 벽 처리 방법의 영향을 평가한다. 완전히 발달한 채널 유동(Reτ = 590)과 실내 공기 분포 기준 시험에 적용된 결과, 향상된 벽 처리 방법이 벽 근처에서 평균 축방향 속도 및 난류 운동에너지 프로파일 예측에 가장 정확한 성능을 보였으며, 두 시험 케이스 모두에서 표준 방법보다 뛰어난 성능을 보였다.

ABSTRACT

Airflow simulation results depend on a good prediction of near wall turbulence. In this paper a comparative study between different near wall treatments is presented. It is applied to two test cases: (1) the first concerns the fully developed plane channel flow (i.e. the flow between two infinitely large plates). Simulation results are compared to direct numerical simulation (DNS) data of Moser et al. (1999) for $Reτ$ = 590 (where $Reτ$ denotes the friction Reynolds number defined by friction velocity $uτ$, kinematics viscosity $v$ and the channel half-width $δ$); (2) the second case is a benchmark test for room air distribution (Nielsen, 1990). Simulation results are compared to experimental data obtained with laser-doppler anemometry. Simulations were performed with the aid of the commercial CFD code Fluent (2005). Near wall treatments available in Fluent were tested: Standard Wall Functions, Non Equilibrium Wall Function and Enhanced Wall Treatment. In each case, suitable meshes with adequate position for the first near-wall node are needed. Results of near-wall mean streamwise velocity U+ and turbulent kinetic energy k+ profiles are presented, variables with the superscript of + are those non dimensional by the wall friction velocity $uτ$ and the kinematic viscosity ν.

연구 동기 및 목표

• 고체 경계 근처에서 난류 공기 유동을 시뮬레이션할 때 다양한 벽 근처 처리 방법의 정확도를 평가하기 위해.
• 표준 벽 함수, 비균형 벽 함수, 향상된 벽 처리 방법이 벽 근처 난류를 예측하는 데 있어 성능을 평가하기 위해.
• 완전히 발달한 채널 유동에서 Reτ = 590인 직접 수치 시뮬레이션(DNS) 데이터와의 비교를 통해 시뮬레이션 결과를 검증하기 위해.
• 실내 공기 분포 기준 시험 케이스에서 실험적 레이저 도플러 안지오메트리(LDA) 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하기 위해.
• 실내 공기 유동 응용 분야에서 정확한 CFD 예측을 위한 최적의 벽 근처 처리 방법과 메쉬 구성 조합을 규명하기 위해.

제안 방법

• 완전히 발달한 평면 채널 유동과 실내 공기 분포 기준 시험 케이스 두 가지에 대해 상용 CFD 소프트웨어 Fluent(2005)를 사용해 시뮬레이션을 수행하였다.
• 세 가지 벽 근처 처리 모델을 적용: 표준 벽 함수, 비균형 벽 함수, 향상된 벽 처리 방법.
• 모든 시험 케이스 간 결과 비교를 위해 비차원화 변수인 U+ (마찰 속도 uτ로 정규화한 속도)와 k+ (uτ²로 정규화한 난류 운동에너지)를 사용하였다.
• 각 벽 함수 접근 방식에 적합한 y+ 값에 도달하도록 첫 번째 벽 근처 메쉬 노드의 위치를 적절히 설정하여 적절한 메쉬 해상도를 확보하였다.
• Reτ = 590에서의 고정밀도 DNS 데이터(Moser 등, 1999)와 실내 공기 분포 시험 케이스의 실험 데이터(Nielsen, 1990)를 기반으로 결과를 검증하였다.
• 벽 근처에서 모델 정확도 평가를 위해 평균 축방향 속도 및 난류 운동에너지 프로파일을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 벽 근처 처리 방법이 난류 채널 유동에서 평균 축방향 속도 예측 정확도에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ2 고레이놀즈 수 흐름에서 벽 근처 처리 방법의 선택이 난류 운동에너지 예측에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 완전히 발달한 채널 유동에서 Reτ = 590인 경우, 어떤 벽 근처 처리 방법이 DNS 데이터와 가장 유사한 결과를 제공하는가?
• RQ4 다양한 벽 처리 방법이 실내 공기 분포 기준 시험에서 실험적 레이저 도플러 안지오메트리 측정 결과를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 정확한 실내 공기 유동 시뮬레이션을 위한 최적의 메쉬 해상도와 벽 함수 조합은 무엇인가?

주요 결과

• 향상된 벽 처리 방법은 완전히 발달한 채널 유동에서 평균 축방향 속도 프로파일을 가장 정확하게 예측하였으며, Reτ = 590일 때 DNS 데이터와 매우 유사한 결과를 보였다.
• 동일한 채널 유동 케이스에서 향상된 벽 처리 방법은 난류 운동에너지 프로파일 예측에서도 가장 정확했으며, DNS 결과와의 편차가 최소한이었다.
• 표준 벽 함수는 균형 난류 가정에 기반하여 점성 서브층과 버퍼 층에서 DNS 데이터와의 편차가 크게 나타났다.
• 비균형 벽 함수는 채널 유동에서 표준 벽 함수보다 정확도가 향상되었지만, 여전히 벽 근처의 속도 기울기를 과소평가하였다.
• 실내 공기 분포 기준 시험에서 향상된 벽 처리 방법은 실험적 레이저 도플러 안지오메트리 측정 결과와 가장 유사한 속도 프로파일을 생성하였다.
• 본 연구는 적절한 메쉬 해상도, 특히 적절한 y+ 값에 도달하도록 첫 번째 벽 근처 메쉬 노드를 배치하는 것이 모든 벽 처리 모델에서 정확한 결과를 얻기 위해 필수적임을 확인하였다.