[논문 리뷰] Turbulent skin-friction reduction by wavy surfaces

Sacha Ghebali, S. I. Chernyshenko외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 04.

Fluid Dynamics and Turbulent FlowsEngineering참고 문헌 36인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 능동 구동 없이 기울인 파도진 벽을 사용하여 난류 채널 유동에서 수면 마찰 항력 저감을 수동적으로 탐구한다. 이는 공간 스토크스층(Spatial Stokes Layer, SSL)의 비틀림 응력 효과를 모방하기 위함이다. 직접 수치 시뮬레이션(DNS) 결과, 2%의 마찰 항력 저감이 1.3%의 압력 항력 손해로 상쇄되어 최종적으로 약 0.5%의 순 항력 저감을 기록하였으며, 벽 단위로 스케일링된 경우 전단 응력은 레이놀즈 수에 거의 영향을 받지 않았다.

ABSTRACT

Direct numerical simulations of fully-developed turbulent channel flows with wavy walls are undertaken. The wavy walls, skewed with respect to the mean flow direction, are introduced as a means of emulating a Spatial Stokes Layer (SSL) induced by in-plane wall motion. The transverse shear strain above the wavy wall is shown to be similar to that of a SSL, thereby affecting the turbulent flow, and leading to a reduction in the turbulent skin-friction drag. The pressure- and friction-drag levels are carefully quantified for various flow configurations, exhibiting a combined maximum overall-drag reduction of about 0.5%. The friction-drag reduction is shown to behave approximately quadratically for small wave slopes and then linearly for higher slopes, whilst the pressure-drag penalty increases quadratically. Unlike in the SSL case, there is a region of increased turbulence production over a portion of the wall, above the leeward side of the wave, thus giving rise to a local increase in dissipation. The transverse shear-strain layer is shown to be approximately Reynolds-number independent when the wave geometry is scaled in wall units.

연구 동기 및 목표

• 능동적인 평면 벽 운동의 대체로 파도진 벽을 사용하여 난류 경계층에서 기하학적으로 유도된 수동 항력 저감을 탐색하기 위해.
• 파도진 벽이 알려진 마찰 저감 효과를 보이는 공간 스토크스층(Spatial Stokes Layer, SSL)의 횡방향 전단 응력 프로파일을 얼마나 잘 모방할 수 있는지 평가하기 위해.
• 파도진 벽 구조에서 마찰 항력 저감과 압력 항력 손해 사이의 상호 교환 관계를 정량화하기 위해.
• 벽 기하 구조를 벽 단위로 스케일링했을 때 전단 응력 프로파일과 항력 저감 성능의 레이놀즈 수 의존성 평가하기 위해.
• 주로 국소적 난류 생성과 위상 변화 효과에 기인한 성능 제한 요인을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고해상도의 스펙트럼/고차 다항식 요소 방법을 사용하여, 완전히 발달한 난류 채널 유동에 대한 직접 수치 시뮬레이션(DNS)을 수행하였으며, 이는 높은 공간 및 시간 해상도를 확보하였다.
• 파도진 벽은 평균 유동 방향에 대해 각도 θ로 기울여져 있어, 횡방향 압력 기울기를 유도하고, 이로 인해 횡방향 유동과 횡방향 전단 응력이 발생한다.
• 전단 응력 프로파일의 레이놀즈 수 독립성을 평가하기 위해 벽 기하 구조를 벽 단위로 스케일링(예: A⁺, λ⁺)하였다.
• 마찰 항력과 압력 항력을 계산하고, 동일한 메쉬와 도메인 크기의 기준 평면 채널 유동과 비교하였다.
• 수치 정확도와 항력 저감 추정치의 민감도를 평가하기 위해 Reτ = 360에서 격자 수렴성 연구를 수행하였다.
• 파도의 풍향 측면 위에서 국소적 불안정성과 에너지 전달 메커니즘을 규명하기 위해 난류 생성 및 소멸 항목을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동적인 파도진 벽 기하 구조가 난류 채널 유동에서 공간 스토크스층(Spatial Stokes Layer, SSL)의 횡방향 전단 응력 프로파일을 효과적으로 모방할 수 있는가?
• RQ2 파고, 파장, 유동 각도에 따라 순 항력 저감은 어떻게 변화하며, 최적의 구성은 무엇인가?
• RQ3 벽 기하 구조를 벽 단위로 스케일링했을 때 전단 응력 프로파일과 항력 저감 성능이 레이놀즈 수에 얼마나 의존하는가?
• RQ4 주로 난류 생성과 압력 항력 측면에서 항력 저감을 제한하는 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 파도의 풍향 측면 위에서 난류 생성이 국소적으로 증가할 경우 전체 에너지 소산과 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 파도진 벽 상단의 횡방향 전단 응력 프로파일은 공간 스토크스층(Spatial Stokes Layer, SSL)과 매우 유사하여, 이 모의 전략이 타당함을 입증하였다.
• 작은 파고 기울기에서는 마찰 항력 저감이 약 제곱법칙에 따라 비례하고, 높은 기울기에서는 선형 비례함을 보였으며, 반면 압력 항력 손해는 파고에 따라 제곱법칙으로 증가하였다.
• A⁺ ≈ 20, λ⁺ ≈ 920, θ = 70° 인 구성에서 최고 해상도 격자로 계산한 결과, Reτ ≈ 360일 때 약 0.5%의 순 항력 저감이 추정되었다.
• 벽 기하 구조를 벽 단위로 스케일링했을 때 전단 응력 프로파일은 약간의 레이놀즈 수 의존성이 없었으며, 이는 다양한 레이놀즈 수에서의 강건성을 시사한다.
• 파도의 풍향 측면 위에서 국소적 난류 생성 피크가 관찰되었으며, 이는 소산 증가에 기여하고 항력 저감 효과를 상쇄시켰다.
• 파도진 벽의 성능은 제곱법칙의 압력 항력과 국소적 난류 강도 증가의 조합으로 제한되며, 이는 마찰 저감의 이점을 약화시킨다.