[논문 리뷰] Numerical Simulation of Wakes in a Weakly Stratified Fluid

James W. Rottman, Douglas G. Dommermuth외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 레이놀즈 수 Re = 10⁵에서 약한 정성류 및 비정성류 유체에서 자가 추진 잠수정의 후류 진화를 대규모 난류 시뮬레이션(LES)을 사용하여 조사한다. 내부파 방출과 난류 에너지 재분배에 의해 후류 후기 단계에서 응집된 팬케이 에디가 자발적으로 형성됨을 보여주며, 정성류는 난류 감쇠를 억제하고 에디 순환 영역 내 에너지 집중을 증가시킨다.

ABSTRACT

This paper describes some preliminary numerical studies using large eddy simulation of full-scale submarine wakes. Submarine wakes are a combination of the wake generated by a smooth slender body and a number of superimposed vortex pairs generated by various control surfaces and other body appendages. For this preliminary study, we attempt to gain some insight into the behavior of full-scale submarine wakes by computing separately the evolution the self-propelled wake of a slender body and the motion of a single vortex pair in both a non-stratified and a stratified environment. An important aspect of the simulations is the use of an iterative procedure to relax the initial turbulence field so that turbulent production and dissipation are in balance.

연구 동기 및 목표

• 대규모 난류 시뮬레이션(LES)을 사용하여 비정성류 및 안정 정성류 유체에서 자가 추진 섬유형 몸체의 후기 후류를 시뮬레이션한다.
• 초기 응집된 구조가 존재하지 않는 조건에서 응집된 팬케이 에디가 자발적으로 형성되는 원리를 이해한다.
• 정성류와 난류가 에디 쌍과 후류 지속성의 진화에 미치는 영향을 조사한다.
• 에디 중심 순환 영역에서 유입 및 탈입 현상을 포착할 수 있는 미세거품 스케일 난류 모델을 개발한다.
• 반복적 리프레시 절차를 통해 난류 생성과 소산이 균형을 이루는 초기 난류 필드를 설정한다.

제안 방법

• 대규모 난류 특성은 해석하고 소규모 난류는 모델링하기 위해 대규모 난류 시뮬레이션(LES)을 사용한다.
• 시뮬레이션 전에 초기 유동장에서 난류 생성과 소산을 균형화하기 위해 리프레시 절차를 사용한다.
• 평균 자가 추진 후류(회전 포함)와 균일한 난류장이 중첩된 조건으로 초기 조건을 설정한다.
• 비정성류(Fr = ∞) 및 약한 정성류(Fr = 4) 조건을 모두 Re = 10⁵에서 시뮬레이션한다.
• 정성류가 약한 비압축성 유체 유동에 대해 부소니크스 근사법을 적용하고, 정규화된 길이 및 속도 척도를 사용한다.
• 에너지 이행과 에디 역학 분석을 위해 난류 운동에너지, 코리올리력, 내부파 생성을 추적한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초기 응집된 구조가 없는 조건에서 자가 추진 후류에서 응집된 팬케이 에디가 자발적으로 형성될 수 있는가?
• RQ2 정성류는 후류에서 난류 운동에너지의 감쇠율과 에너지 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 내부파 방출이 난류 생성을 감소시키고 후류 지속성을 연장하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 배경 난류는 정성류 및 비정성류 환경에서 반대 방향으로 도는 에디 쌍의 상승 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 시간이 지남에 따라 에디 쌍의 순환 영역에서 난류 운동에너지 분포는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 난류의 무작위 위상 초기 조건에도 불구하고 후기 후류에서 팬케이 에디가 자발적으로 형성되어 평균 회전운동과 난류에 의해 자발적인 조직화가 일어남을 시사한다.
• 비정성류 조건에서는 난류 운동에너지가 일관되게 감소하였으며, 에너지가 에디 중심부에 집중되어 있었다.
• 정성류 조건(Fr = 4)에서는 후기 시점에 순환 영역에서 난류 운동에너지가 증가하여 평균 유동에서 난류로의 에너지 이행이 일어남을 나타낸다.
• 정성류 조건에서 운동에너지의 진동 주파수는 부력 주파수와 일치하여 내부파 생성을 확인한다.
• 정성류는 난류 생성과 소산을 감소시켜 드래그 후류보다 더 긴 후류 지속성을 유도한다.
• 난류 및 정성류 환경 모두에서 에디 쌍의 상승 속도가 감소하였으며, 정성류는 위치 에너지로의 에너지 전환과 파동 생성을 추가로 유도한다.