[논문 리뷰] Supersonic turbulent channel flows over two and three dimensional sinusoidal rough walls

Mostafa Aghaei Jouybari, Junlin Yuan외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 04.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows참고 문헌 39인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2D 및 3D 삼각함수적 형태의 균열 표면을 가진 고온 평판에서 초음속 난류 채널 유동을 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 통해 연구한다. 2D 균열 표면은 강한 기울어진 충격파를 생성하여 난류 생성과 엔트로피 생성을 증가시키지만, 3D 균열 표면은 약한 충격파만 생성하고 열적 비가역성도 낮게 유지되어 2D 케이스보다 높은 온도 프로파일을 보인다.

ABSTRACT

Direct numerical simulations were performed to study supersonic turbulent channel flows over isothermal rough walls. The effect of roughness was incorporated using a newly proposed immersed boundary method. The method uses a level-set/volume-of-fluid field to impose appropriate boundary conditions at the fluid-solid interface. Turbulence statistics of five channel flows (at a Mach number of 1.5 and a bulk Reynolds number of 3000) are compared, including one reference case with both walls smooth and four cases with smooth top walls and rough bottom walls. The four cases differ in the geometry of the roughness, including two 2-dimensional (2D) and two 3-dimensional (3D) sinusoidal waves. Results reveal a strong dependence of the turbulence on the roughness topography and the associated shock patterns. Specifically, the 2D geometries generate strong oblique shock waves that propagate across the channel height and are reflected back to the rough-wall side. These strong shocks are absent for cases with 3D roughness geometries, replaced by weak shocklets. At the impingement locations of the shocks on the top wall in the 2D cases, localized augmentations of turbulence shear production are observed. Such regions of augmented production also exist for the 3D cases, though the augmentation is much weaker. The oblique shock waves are thought to be responsible for a higher entropy generation for cases with 2D surfaces than those with 3D ones, which results in a higher irreversible heat generation and consequently higher temperature profiles for 2D cases compared to the 3D ones.

연구 동기 및 목표

• 2D 및 3D 삼각함수적 균열 표면 형상이 초음속 난류 채널 유동에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 2D 및 3D 균열 형상 간의 충격파 구조 및 난류 통계의 차이를 이해하기 위해.
• 균열에 의해 유도된 충격 패tern이 엔트로피 생성 및 온도 프로파일에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 신규 개발된 이머머스드 베이스 메서드가 초음속 유동에서 복잡한 유체-고체 계면을 해석하는 데 성능을 보여주는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 마하 수 1.5 및 평균 레이놀즈 수 3000 조건에서 다섯 개의 채널 유동 케이스에 대해 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 수행하였다.
• 새로운 이머저스드 베이스 메서드를 사용하여, 레벨셋 및 부피분율 필드를 활용해 유체-고체 계면에서의 경계 조건을 강제 적용하였다.
• 이 방법은 2D 및 3D 삼각함수적 복잡한 형상의 균열 표면에서도 슬립이 없는 조건과 등온 조건을 정확하게 포착한다.
• 다섯 개의 케이스(하나의 매끄러운 벽 기준 케이스 포함)에서 난류 통계, 충격 구조 및 엔트로피 생성을 분석하였다.
• 충격-난류 상호작용을 정확히 포착하기 위해 고해상도의 공간 및 시간 해상도로 전체 나비에-스토크스 방정식을 해석하였다.
• 충격파 패턴과 그들이 상부 벽에 부딪힐 때의 상호작용을 분석하여 국소적 난류 생성과의 연관성을 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2D 및 3D 삼각함수적 균열 형상은 초음속 난류 채널 유동에서 충격파의 형성 및 전파에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 기울어진 충격파는 균열 표면 근처에서 난류 전단 생성을 어떻게 증가시키는가?
• RQ3 균열 표면의 형상은 초음속 유동에서 엔트로피 생성 및 열적 비가역성 열전달에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 왜 2D 균열 표면은 3D 균열 표면보다 높은 온도 프로파일을 보이는가?
• RQ5 3D 균열 케이스에서의 충격파는 2D 케이스의 강력한 기울어진 충격파와 비교해 강도와 구조에서 얼마나 다를까?

주요 결과

• 2D 삼각함수적 균열 표면은 채널을 가로질러 전파되고 균열 벽으로 반사되는 강력한 기울어진 충격파를 생성하지만, 3D 균열 표면은 약한 충격파만 생성한다.
• 2D 케이스에서의 기울어진 충격파는 상부 벽에 부딪힐 때 국소적으로 난류 전단 생성이 증가하는 영역를 형성한다.
• 3D 케이스에서도 난류 생성이 증가하지만, 2D 케이스에 비해 증가 폭이 현저히 낮다.
• 2D 케이스에서는 강력한 충격파로 인해 엔트로피 생성과 열적 비가역성 열 생성이 3D 케이스보다 높다.
• 결과적으로 2D 균열 표면은 열적 비가역성 증가로 인해 3D 균열 표면보다 높은 온도 프로파일을 보인다.
• 신규 개발된 이머저스드 베이스 메서드는 복잡한 충격-난류 상호작용을 고해상도로 정확히 포착하였다.