큰 지름비를 가지는 동축제트 확산화염 연소기내의 등온 및 연소 유동장의 예측

오군섭,안국영,김용모,이창식,O, Gun-Seop,An, Guk-Yeong,Kim, Yong-Mo,Lee, Chang-Sik 대한기계학회 1996 大韓機械學會論文集B Vol.20 No.7

본 연구에서 수행한 큰 지름비를 가지는 동축제트 확산화염 연소기내의 등온 및 연소 유동장에 대한 수치해석 결고를 요약하면 다음과 같다. 1) 큰 지름비를 가지는 동축제트 확산화염 연소기내의 등온 유동을 수치해석한 경우 k-.epsilon. 난유모델은 큰지름비를 갖는 기하학적 특성 때문에 C $O_{2}$와 공기의 유량비에 따라 나타나는 세가지 유동구조를 정성적으로 잘 예측하였다. 2) 공기의 유량이 고정되고 C $O_{2}$의 유량이 증가하는 등은 유동의 경우, 후방정체점은 실험치보다 훨씬 과도하게 예측되고 있으나, C $O_{2}$의 유량증가와는 거의 무관하게 나타나는 실험결과를 그대로 반영하였다. 그리고 C $O_{2}$으 유량증가에 거의 선형적으로 비례하는 전방정체점의 위치와 급격히 감소하는 재순환유동영역으로 갈수록 정량적인 불일치가 커지게 됨을 볼 수 있으며 이는 연료제트의 속도척도가 상대적으로 커지면서 연료제트가 공기의 재순환유동을 간헐적으로 뚫고 나가며 나타나는 용접유동구조에 의한 비정상성 때문으로 사료된다. 3) C $O_{2}$의 유량이 고정되고 공기의 유량이 증가하는 등온유동의 경우, 전방정체점의 변화에 대한 실험과 수치해석 결과와 정량적인 일치를 보이고 있으나 후방정체점은 실험치에 비해 과대예측되었다. 공기의 평균유입속도가 증가함에 따라 전방정체점의 위치가 입구쪽으로 옮겨가는 경향을 나타내고 있으며 공기의 유량이 증가함에 따라 공기에 이한 재순환영역의 강도와 공기의 최대역류속도가 커지므로 상대적으로 C $O_{2}$ 제트가 재순환 유동장을 관통할 수 있는 거리가 즐어드는 현상을 잘 예측하였다. 4) k-.epsilon. 난류모델과 수정된 eddy-breakup 연소모델을 사용하여 bulff-body 연소기내의 연소유동을 수소에 의한 열팽창효과를 포함시킨 경우 유동장과 온도장이 약간 더 하류족으로 팽창되는 영향이 나타났으며 본 연구의 수치결과만을 놓고 볼 때 열팽창효과와 Arrhenius 화학반응률을 고려한 경우가 실험치에 다소 근접한 결과를 나타내었다. 5) 수치결과와 실험의 불일치는 등방성 가정에 근거를 두는 k-.epsilon.난류모델이 갖는 한계, 중간생성물을 무시한 일단계 비가역반응모델을 사용한 난류 연소모델의 한계, 밀도변화를 가지는 유동장에서 일정한 Schmisr 수 가정의 적용한계, 그리고 불확실한 입구경계조건에 기인한다. bluff-body 연소기내의 난류연소유동장에 대한 예측능력을 향상시키기 위해서 추후 연구에서는 더욱 발전된 물리모델인 ASM 난류모델과 RSM 난류모델 그리고 joint PDF 연소모델과 coherent flamelet 모델등을 이용한 수치모델의 개발을 체계적으로 수행할 예정이다. A numerical simulation has been performed for isothermal and reacting flows in an exisymmetric, bluff-body research combustor. The present formulation is based on the density-weighted averaged Navier-Stokes equations together with a k-epsilon. turbulence model and a modified eddy-breakup combustion model. The PISO algorithm is employed for solution of thel Navier-Stokes system. Comparison between measurements and predictions are made for a centerline axial velocities, location of stagnation points, strength of recirculation zone, and temperature profile. Even though the numerical simulation gives acceptable agreement with experimental data in many respects, the present model is defictient in predicting the recoveryt rate of a central near-wake region, the non-isotropic turbulence effects, and variation of turbulent Schmidt number. Several possible explanations for these discrepancies have been discussed.

유동함수를 이용한 난류제트혼합유동 계산에 관한 연구

최동환 한국추진공학회 2005 한국추진공학회지 Vol.9 No.3

A simple but efficient grid generation technique by using the modified compressible form of stream function has been formulated. Transformation of a physical plane to a streamline plane, the Von Mises Transformation, has been widely used to solve the differential equations governing flow phenomena, however, limitation arises in low velocity region of boundary layer, mixing layer and wake region where the relatively large grid spacing is inevitable. Modified Von Mises Transformation with simple mathematical adjustment for the stream function is suggested and applied to solve the confined coaxial turbulent jet mixing with simple turbulence model. Comparison with several experimental data of axial mean velocity, turbulent kinetic energy, and Reynolds shear stress distribution shows quite good agreement in the mixing layer except in the centerline where the turbulent kinetic energy distributions were somewhat under estimated. This formulation is strongly suggested to be utilized specially for free turbulent mixing layers in axisymmetric flow conditions such as the investigation of mixing behavior, jet noise production and reduction for Turbofan engines. 많은 장점에도 불구하고 유동함수를 이용한 수치해석용 격자생성 좌표변환기법의 단점은 저속영역에서의 격자간격이 고속영역에 비해 상대적으로 큼에 따라 수치적 처리에 많은 오차를 내포하고 있다는 점이다. 본 연구에서는 이러한 저속영역에서의 단점을 보완하기 위하여 격자간격을 속도크기 및 영역에 따라 적절히 조절할 수 있도록 수학적으로 변형된 압축성 유동함수를 이용한 좌표변환기법을 제안하고 가스터빈엔진에 주로 적용되는 유동모델로서 동심원상 두개 이상의 난류제트혼합유동에 대해 적용하였으며 해당 실험치, 즉 축 방향 평균속도분포, 난류운동에너지, 그리고 난류전단응력분포와 비교하여 난류운동에너지가 약간 과소평가된 대칭축을 제외한 혼합경계층 내에서 3.5% 이내의 신뢰성을 확보하였다. 본 기법은 특히 터보팬엔진에 대한 내부흐름들의 혼합유동을 규명하거나 또는 난류전단응력에 의한 제트소음발생 및 저감방법을 도모하는데 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

V2-F 난류 모델의 터보기계 유동 해석 적용

박재현(Jae Hyeon Park),손동경(Dong Kyung Sohn),김창현(Chang Hyun Kim),백제현(Je Hyun Baek) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.2

터보기계 내부 유동장은 역압력구배, 고속 유동으로 인해 매우 복잡하며, 이를 해석하기 위해 보다 정교한 난류 모델이 요구된다. 유동 해석을 위해 대수모델, 2-방정식 와점도 모델 등이 널리 사용되고 있으나, 매우 복잡한 유동을 모사하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 복잡한 유동에서의 예측성능이 우수하다고 알려진 Durbin의 V2-F 난류 모델을 자체 개발 코드인 T-Flow에 적용하였으며, 채널 및 압축기 캐스캐이드 유동 해석 결과를 이용하여 난류 모델을 검증하였다. 또한 저속 압축기 동익 해석을 통해 터보기계 내부 유동에서의 적용 가능성을 판단하였다. 그 결과, V2-F난류 모델은 1-방정식, 2방정식 난류 모델보다 우수한 블레이드 표면 압력 분포 예측성능을 보였다. Since a turbomachine has complex flow characteristics, which are caused by adverse pressure gradient and high speed motion, an elaborate turbulence model is needed to accurately predict the flow. Some turbulence models such as an algebraic or a two-equation eddy viscosity model have been used for in-house RANS-code, but it is difficult to obtain good result for several complex flows. In this study, Durbin‘s V2-F turbulence model, which has been known for better prediction for severe flow separation, is applied to T-Flow. It was validated for simple cases such as channel and compressor cascade, and its applicability to turbomachinery was shown by analyzing internal flow of a single rotor. As a result, the V2-F turbulence model shows better blade surface pressure distribution than the one-and-two equation turbulence model.

잠수함 형상의 유동소음 해석기법 연구

여상재,홍석윤,송지훈,권현웅,설한신 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회지 Vol.24 No.7

Underwater noise radiated from submarines is directly related to the probability of being detected by the sonar of an enemy vessel. Therefore, minimizing the noise of a submarine is essential for improving survival outcomes. For modern submarines, as the speed and size of a submarine increase and noise reduction technology is developed, interest in flow noise around the hull has been increasing. In this study, a noise analysis technique was developed to predict flow noise generated around a submarine shape considering the free surface effect. When a submarine is operated near a free surface, turbulence-induced noise due to the turbulence of the flow and bubble noise from breaking waves arise. First, to analyze the flow around a submarine, VOF-based incompressible two-phase flow analysis was performed to derive flow field data and the shape of the free surface around the submarine. Turbulence-induced noise was analyzed by applying permeable FW-H, which is an acoustic analogy technique. Bubble noise was derived through a noise model for breaking waves based on the turbulent kinetic energy distribution results obtained from the CFD results. The analysis method developed was verified by comparison with experimental results for a submarine model measured in a Large Cavitation Tunnel (LCT). 잠수함에서 발생하는 수중방사소음은 적함의 소나에 의해 피탐될 확률과 직결되며, 잠수함 저소음화 방안은 생존성 향상을 위해 필수적이다. 최신 잠수함의 경우 기계류 소음저감 및 고속/대형화가 진행됨에 따라 선체 주위에 발생하는 유동소음에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 자유수면의 효과를 고려하여 잠수함 형상 주위에 발생하는 유동소음 수준을 예측할 수 있는 소음해석기법을 개발하였다. 잠수함이 자유수면 근처 운항시에 잠수함 주위 유동장의 교란에 의해 발생하는 난류유동소음과 쇄파버블에 의한 소음이 발생한다. 먼저 잠수함 주위 유동장 해석을 위해, VOF법 기반의 비압축성 이상유동(two-phase flow)해석을 수행하여 잠수함 주위 자유수면 형상과 유동장 정보를 도출하였다. 이후 난류유동소음해석을 위해 음향상사기법인 Permeable FW-H를 적용하였고, 쇄파버블 소음해석을 위해 유동해석에서 도출된 난류운동에너지 분포결과를 기반으로 쇄파버블 소음모델을 적용하였다. 최종적으로 개발된 유동소음 해석기법은 선박해양플랜트연구소(KRISO)의 대형캐비테이션터널(LCT)에서 수행된 잠수함 모형 유동소음계측 실험결과와 비교를 통해 검증을 수행하였다.

하이브리드 프랙탈 격자를 이용한 난류유동 특성 PART I : 비반응장 유동

김정현,이기만 대한기계학회 2023 大韓機械學會論文集B Vol.47 No.7

본 연구에서는 개선된 비반응장 난류유동 특성을 조사하기 위해 하이브리드타입의 프랙탈격자 난류생성판을 사용하였다. 하이브리드타입은 이전 연구에서 사용하였던 십자형상과 사각형상의 제작 방법을 이용하여 적용하였다. 난류생성판으로 사용된 하이브리드타입 프랙탈격자는 형상 파라미터를 변경하여 총 8개의 격자로 제작되어 난류특성이 조사되었고 기존에 사용하였던 십자형상과 사각형상의 비교도 함께 조사하였다. 조사 결과 중심축 난류성분 분석에서는 하이브리드타입의 격자에서 속도섭동 및 난류강도가 개선되는 것으로 확인되었고 반경방향 결과는 난류생성판의 격자가 노즐 이후 난류성분에도 영향을 미치는 것으로 나타났다. 난류성분의 비균질성은 사각형상보다 개선됨을 확인하였고 주요 파라미터에 따른 경향도 뚜렷하게 관찰되었다.

격자, 난류모형 및 이산화 방법이 유동해석 결과에 미치는 영향

박동우,윤현식,Park, Dong-Woo,Yoon, Hyun-Sik 해양환경안전학회 2014 해양환경안전학회지 Vol.20 No.4

본 연구는 격자수, 첫 번째 격자까지의 거리($Y_P+$), 난류모델 그리고 이산화 방법에 따른 해의 변화량을 조사하였다. 대상선박은 KVLCC이며, 격자구성과 유동해석은 상용코드인 Gridgen V15와 FLUENT를 사용하였다. 검토는 2가지 파트로 나누어서 수행하였다. 첫 번째 파트는 격자수, 난류모델 그리고 이산화 방법의 조합에 따른 해의 영향성을 평가하였다. 두 번째 파트는 적합한 $Y_P+$ 선정에 초점을 두었다. 격자수와 이산화 방법이 동일한 경우 마찰저항은 난류모델에 따라 약 1 % 내에서 차이를 보였으나, 압력저항은 약 9 %의 큰 차이를 보였다. $Y_P+$와 이산화 방법이 동일한 경우 $Y_P+$를 30과 50으로 설정하였을 때 마찰저항은 난류모델에 따라 약 1 % 내에서 차이를 보였으나, 100에서는 약 3 % 차이를 보였다. 반면, 압력저항은 $Y_P+$값에 무관하게 난류모델에 따라 약 10 % 차이를 보였다. 난류모델과 이산화 방법이 동일한 경우 격자 수 변화 따라 마찰저항, 압력저항 그리고 전 저항 모두 큰 차이를 보이지 않았다. 난류모델과 이산화 방법이 동일한 경우 $Y_P+$의 변화에 따라 마찰저항은 5~8 %의 큰 차이를 보였고, 압력저항은 큰 차이를 보이지 않았다. The current work investigated the variation of numerical solutions according to the grid number, the distance of the first grid point off the ship surface, turbulence modeling and discretization. The subject vessel is KVLCC. A commercial code, Gridgen V15 and FLUENT were used the generation of the ship hull surface and spatial system and flow computation. The first part of examination, the effect of solutions were accessed depending on the grid number, turbulence modeling and discretization. The second part was focus on the suitable selection of the distance of the first grid point off the ship surface: $Y_P+$. When grid number and discretization were fixed the same value, the friction resistance showed differences within 1 % but the pressure resistance showed big differences 9 % depending on the turbulence modeling. When $Y_P+$ were set 30 and 50 for the same discretization, friction resistance showed almost same results within 1 % according to the turbulence modeling. However, when $Y_P+$ were fixed 100, friction resistance showed more differences of 3 % compared to $Y_P+$ of 30 and 50. Whereas pressure resistance showed big differences of 10 % regardless of turbulence modeling. When turbulence modeling and discretization were set the same value, friction, pressure and total resistance showed almost same result within 0.3 % depending on the grid number. Lastly, When turbulence modeling and discretization were fixed the same value, the friction resistance showed differences within 5~8 % but the pressure resistance showed small differences depending on the $Y_P+$.

난류 채널 유동 내부의 레이놀즈 전단 응력 분포

김경연(Kyoungyoun Kim) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.8

벽면 난류의 항력과 밀접한 관련이 있는 유동구조를 조사하기 위해 Reτ = 180, 395, 590 의 난류채널유동에 대한 직접수치모사를 수행하였다. 확률밀도함수를 조사하여 레이놀즈 전단응력에 가장 큰 기여를 하는 Q2 이벤트를 파악하였으며 Q2 이벤트의 각도의 변화가 y+ < 50 에서는 벽 단위로 스케일링되며, y/h > 0.5 에서는 채널의 높이로 스케일링 됨을 확인하였다. Q2 이벤트를 조건으로 하는 조건부 평균 유동장을 조사하여 레이놀즈 전단응력의 발생과 관련이 있는 유동구조는 주 유동방향의 보텍스 및 헤어핀 형상의 보텍스임을 보였다. 또한, 순간 유동장을 관찰하여 높은 레이놀즈 전단 응력의 분포가 이러한 보텍스 구조와 관련이 있으며 1.5 ~ 3h 의 크기를 갖는 대형유동구조를 구성함을 확인하였다. Direct numerical simulations were carried out for turbulent channel flows with Reτ = 180, 395 and 590 to investigate the turbulent flow structure related to the Reynolds shear stress. By examining the probability density function, the second quadrant (Q2) events with the largest contribution to the mean Reynolds shear stress were identified. The change in the inclination angle of Q2 events varies with wall units in y+ < 50 and with the channel half height in y/h > 0.5. Conditionally averaged flow fields for the Q2 event show that the flow structures associated with Reynolds shear stress are a quasi-streamwise vortex in the buffer layer and a hairpin-shaped vortex in the outer layer. Three-dimensional visualization of the distribution of high Reynolds shear stress reveals that the organization of hairpin vortices in the outer layer having a size of 1.5~3 h is associated with large-scale motions with high Reynolds shear stress in the outer layer.

강한 박리 유동을 동반한 초음속 수축-확장 사각 노즐유동에 적합한 난류 모델과 압축성 보정 모델의 평가

이주용,신준수,성홍계 항공우주시스템공학회 2018 항공우주시스템공학회지 Vol.12 No.5

초음속 수축-확대 사각 노즐 내 강한 유동 박리를 동반한 초음속 유동에 적합한 난류 모델과 압축성 보정 모델을 평가하였다. 난류 모델로는 Yang과 Shih의 Low-Re k-ε 모델, Menter의 k-ω SST 모델, Wilcox의 k-ω 모델을 평가하였다. 압축성 효과를 보다 정확하게 예측하기 위하여 각각의 난류 모델에 Sarkar와 Wilcox의 압축성 보정 모델을 적용하였다. 각 난류 모델과 압축성 보정 모델의 결과는 실험 데이터와 비교하여 분석을 하였다. 난류 모델에 따라 충격파의 위치와 압력 회복률이 다르게 나타났으나 압축성 보정을 통해 더욱 개선된 결과를 얻었다. The objective of this study is to investigate the turbulence models with compressibility correction for large separation-flow in a supersonic convergent-divergent rectangular nozzle. As turbulence models, Yang and Shih’s Low-Re k-ε model, Mener’s k-ω SST model and Wilcox’s k-ω model were evaluated. In order to get a significant compressible effects, Sarkar and Wilcox compressibility correction models were applied to the turbulence models respectively. Also, the simulation results were compared with experimental data. The turbulence model with compressibility correction model improves both of shock position and pressure recovery, but deteriorates the length of Mach disk.

연속부착된 수직평판을 갖는 부유구조물 후류의 자유유동 난류강도에 대한 실험적연구

김호(Kim Ho),오경근(Kyoung-Gun Oh),김옥석(Gim Ok-Sok),이경우(Gyoung-Woo Lee) 한국항해항만학회 2007 한국항해항만학회 학술대회논문집 Vol.2 No.추계

본 연구에서는 연속 부착된 수직평판을 갖는 부유구조물 근접 후류의 난류 구조에 미치는 자유유동 난류의 영향을 정량적으로 조사하였다. 부유소파제의 기본형으로 널리 쓰이는 폰툰형 부유구조물을 1/35로 축소하여 부체양쪽 끝단에 좌우로 움직임이 가능한 각각 한 개의 수직평판과 부체하면의 끝단에 고정된 두 개의 수직평판의 부착거리에 따라 부유구조물 후류에서 연속적으로 방출되는 와의 주기성과 근접후류에 대한 자유유동 난류강도의 영향을 분석하였다. 부유구조물의 후류에서 난류강도는 수직으로 부착된 커튼판의 영향으로 유동박리가 지속적으로 이루어져 주기적 와방출로 인해 난류강도가 생성됨을 알 수 있으며, 수직평판의 부착거리가 증가 함에 따라 부유구조물의 후류에서 생성되는 와류경계층의 두께가 감소되는 유동구조를 보여 준다. In this paper, the floating body with vertical plate is introduced with a study on the flow patterns and characteristics in around the floating body by using 2 frame particle tracking method. This paper introduce an analysis method to predict the characteristics of flow around the neighboring fields of Floating Body with vertical plate in order to investigate a high performance model. Flow visualization has conducted in circulating water channel by a high speed camera and etc. Flow phenomena according to turbulence intensity distribution and flow separation around the floating body with vertical plate were obtained by two-dimensional PIV system.

환형 단일 스월 인젝터의 난류 연소 유동 특성 LES

김리나(Lina Kim),유광희(Kwang-Hee Yoo),김종찬(Jong-Chan Kim),성홍계(Hong-Gye Sung) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

환형 연소기 내에서의 난류 반응 유동을 해석하고 유동 특성을 도출하기 위해 3차원 large-eddy simulation(LES)를 수행하였다. 연소실 내 복잡한 반응성 유동의 화염모사를 위해 level-set flamelet approach를 적용하였으며 proper orthogonal decomposition(POD)을 이용하여 압력 진동 분석을 수행하여 Fast Fourier transform(FFT) 결과와 비교하였다. 계산 모델로서 GEAE사의 LM6000 환형 연소기를 이용하였으며 작동 조건은 실험결과에 근거하였다. 연소실 내에서 난류 유동의 중요한 특징인 vortex breakdown과 연소가스의 팽창으로 인한 중심 재순환 영역, 코너 재순환 영역 등을 관찰하였고, 스월 유동과 연소로 인해 연소기 내부에서 형성되는 속도 성분을 실험값과 비교하였다. POD분석을 통하여 압력 변동 분포와 유동의 지배적인 POD 모드들을 확인하였다. To simulate the flame dynamics in an annular combustor with single swirl injector, a 3D large-eddy simulation(LES) and a level-set flamelet turbulent combustion model have been implemented. Proper Orthogonal Decomposition(POD) analysis has been also used to identify acoustic modal analysis. The LM6000 developed by GEAE has been used as the combustor of concern and boundary conditions are based on experimental data. The strong central toroidal recirculation zone that was induced by the volume of the combustion gas to dilate immediately and the vortex breakdown that occurred continuously through the procession of the vortex with decreasing strength, are observed. The velocity components of the simulation results in the combustor have been compared with corresponding experimental data. Additionally, several dominant modes developed by the turbulent dynamics of the swirl flows were observed.