미국 알래스카 산악파 난류 수치모의 및 물리 모수화 과정에 대한 민감도

신예원,김정훈 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.10

2012년 12월 30일 1013 UTC에 한국에서 캐나다로 향하던 항공기가 미국 알래스카 남부 산악 지역고도 10 km에서 강한 난류를 조우하였다. 이 연구에서는 난류 발생 원인을 규명하기 위해 Weather Research and Forecasting (WRF)을 이용하여 고해상도 수치모의 실험을 수행하였다. 모델에 사고지점 중심으로 세 개의 둥지격자체계 영역을 사용하였으며, 가장 안쪽 영역의 수평 격자 간격을 1 km로 설정하였다. 종관 분석 결과, 알래스카 남쪽 해상의 강한 저기압에 의해 강한 하층 남동풍과 상층 남풍이 산악으로 유입되었다. 배경 바람에서 정체파인 산악파의 임계고도가 나타나지 않아 이로 인한 파동 파괴 조건은 만족되지 않았다. 하지만 강한 하층 바람에 의해 형성된 연직으로 전파하는 진폭이 큰 산악파가 대류권계면 근처에서 깨지면서 수평 파장이 짧은 2차 파동이 형성되고 강한 난류가 발생하였다. 이는 사고지점 근처의 강한 대류 불안정, 파동 파괴로 형성된 임계고도, 큰 연직 속도, 짧은 수평 파장에서의 큰 에너지로부터 확인되었다. 추가로, 대기경계층 물리 모수화 과정과 아격자 규모지형에 의한 산악 중력파 항력에 대한 산악파 난류 특성의 민감도를 분석하였다. Mellor-Yamada (MY) 계열 대기경계층 물리 모수화 과정인 MYJ와 MYNN 방안은 경계층뿐만 아니라 자유대기에서도 난류 운동에너지 방정식으로 아격자 규모 연직 혼합을 예단하기 때문에 항공기 난류 강도를 파악할 수 있다. 또한 아격자 규모 지형에 의한 산악 중력파 항력의 효과가 산악 근처에서 모델이 분해 가능한 규모의 흐름을 변화시킨다. 아격자 산악 중력파 항력 효과를 포함하면, 산악 바로 전면의 하층 풍속은 줄어들고, 풍하측 하층 난류가 강해지며, 연직으로 전파하는 산악파의 진폭은 작아진다. 아격자 규모 및 분해 가능한 난류운동에너지의 크기와 분포는 대기경계층 물리 모수화 과정 및 산악 중력파 항력에 따라 크게 달라진다. 수치모델에서 산출된 난류운동에너지를 난류에너지소산율로 변환하고, 항공기의 Quick Access Recorder (QAR) 자료로부터 계산된 것과 비교함으로써 난류 강도에 대한 모델 예측성을 검증하였다.

거친 지표면 조도구분의 패턴에 따른 난류경계층의 유동 및왜도에 미치는 영향에 대한 연구

박권호,이시열,임희창 한국풍공학회 2018 한국풍공학회지 Vol.22 No.3

In this study, the characteristics of flow field on the rough surface were examined. The fully developed thick turbulent boundary layer has been made in the boundary layer wind tunnel with the cube arrays patch on the floor of boundary layer wind tunnel, which has patterns of staggered and aligned roughness. The boundary layer properties such as mean flow and turbulent statistics such as stresses and skewness were measured using thermal anemometry. In order to compare with wind tunnel measurement, the turbulent boundary layer was also simulated using the numerical simulation. Rough wall surface was basically used generate the turbulent boundary layer and periodic boundary condition was coaxially applied for both inlet and outlet sections. Results show that turbulent boundary layer have successfully been generated on the roughness surface, and the boundary layer properties vary depending on the pattern of surface roughness. 본 연구는 거친 표면에서의 유동장 특성에 대해 실험 및 수치해석적 연구를 수행하였다. 완전 발달한 두꺼운 난류경계층은풍동 내 바닥에 깔린 거친 표면을 이용하여 생성하였다. 평균유동과 난류강도 및 왜도와 같은 난류경계층의 특성을 열선유속계를 이용해 측정하였다. 풍동실험결과와의 비교를 위해 난류경계층은 수치해석을 이용하여 모사하였다. 거친 벽표면은 기본적으로 난류경계층 생성에 사용되었으며 입출구면에는 주기경계조건이 적용되었다. 본 연구결과로서 난류경계층이 거친 표면 위에서 성공적으로 생성되었으며 평균유동과 난류강도 및 왜도와 같은 난류경계층의 특성은 지표면조도에 따라 달라진다는 것을 확인하였다.

WRF 모형을 이용한 난류소산율 수치모의 및 보성타워자료에서 관측된 난류소산율과의 비교 검증

김정회,김정훈 한국기상학회 2021 한국기상학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.4

난류소산율은 단위 시간당 난류운동에너지(이하 TKE)가 큰 규모에서 작은 규모로 캐스케이드되는 정도를 나타내며, 난류소산율의 세제곱근이 에디소산율(이하 EDR)로 정의된다. 난류소산율은 수치모형에서 행성경계층(이하 PBL) 물리 모수화의 성능 향상에 직접적으로 관련이 있다. 항공 기상의 관점에서 항공기 부하가 EDR에 비례하는 것이 알려져 있으며, 국제민간항공기구에서 항공 난류의 강도를 나타내는 척도로 EDR을 이용하고 있다. 본 연구에서는 난류소산율 3km 수평격자 간격을 가지는 영역에서 Weather Research and Forecasting(이하 WRF) 모형을 이용하여 수치모의를 수행하였고, 항공 기상 측면에 초점을 두어 EDR의 형식으로 난류소산율의 특성을 분석하였다. 1.5차 난류종결 방법론은 TKE 예단방정식을 이용하여 TKE를 계산하며, TKE를 제외한 2차 모멘트는 진단하여 값을 산출한다. 1.5차 난류종결 방법론에서 난류소산율은 TKE와 예단 된 난류운동의 길이규모를 이용하여 계산된다. WRF에서 PBL 모수화로 구현된 방안 중 Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino(이하 MYNN) 방안과 Quasi-Normal Scale Elimination(이하 QNSE) 방안을 이용하여, 한반도 영역에 대하여 2018년 10월 한달 간의 기간에 대하여 WRF 모형에서 EDR을 5분 간격으로 산출하였다. 두 방안을 이용하여 산출된 EDR(이하 EDR-MYNN 및 EDR-QNSE) 모두 PBL의 일주기 성장에 잘 부합하는 일주기 변동이 전반적으로 관찰되었으나, 태풍과 같은 외력이 작용하는 경우 일주기 변동이 깨지는 양상이 나타났다. 모의된 EDR 값의 검증을 위하여 2018년 10월 동안 보성표준기상관측소(이하 BMO) 3차원 초음파 풍속계 관측 자료를 이용하여 산출된 EDR 값(이하 EDR-BMO)과의 비교를 수행하였다. EDR-EMO과 비교했을 때 EDR-MYNN과 EDR-QNSE는 약 0.16m^2/3s^-1의 평균 절대오차 정도로 과소모사 되었으며, 고도가 증가할 수록 과소모사의 정도가 증가하는 것이 확인되었다. EDR-MYNN의 경우 야간의 안정한 PBL 내에서 EDR-BMO에 비하여 EDR의 강도를 과소모사 했으나, EDR-QNSE의 경우 그러한 경향이 상대적으로 적게 나타났다.

유동입구 적분길이 스케일의 변화에 따른 난류경계층생성 특성

이영태,임희창 한국풍공학회 2017 한국풍공학회지 Vol.21 No.4

Large Eddy Simulation (LES), which has recently been developed and used for the climate environment and turbulent flow analysis, can be applied for a variety of area. In particular, in order to achieve a faster performance, an artificial generation of inflow turbulent flow would be able to make the faster calculation as well as obtain the real turbulent flow in the domain. The study aims to build a synthetic inflow generator, which generates the real turbulent boundary flow in the domain. The results are compared with the existing data which was similarly obtained in the calculated and measured domain. In addition, the variation in inlet integral length scale on the inlet section shows that the larger length scale in spanwise direction has the faster recovery of wall shear stress, which means that the development of the turbulent boundary layer is fast on high length scales in spatial direction. 최근 대기환경 및 난류해석분야에 관심을 받고 있는 대와류모사(LES)는 그 적용분야도 다양하다. 특히 LES를 이용한 난류 유동장 해석 시, 실제와 유사한 난류의 특성을 지니고 있는 입구조건을 부여하면 해석 도메인 내에서 실제 난류를 보다 빠르게 생성시 킬 수 있다. 본 연구에서는 LES를 이용한 해석으로 난류경계층을 수치해석 도메인 내에 빠르게 생성시킬 수 있도록 하기 위해 입구 조건으로 기존에 많이 적용하는 방법 중 하나인 합성법(synthesis method)이 이용되었고, 수치해석 도메인 내에 만들어진 난류특성들을 기존의 연구결과들과 비교하였다. 입구에 유입되는 몇몇 유동특성들은 기존의 연구결과와 동일한 값을 입력할 수 있으나 유동방향의 길이크기는 쉽지 않다. 그로인해 기존의 연구결과들과 비교하였을 때, 채널 내에서 발달한 난류특성들은 약간의 차이를 나타내지만 유입데이터와 큰 차이는 나타나지 않았다. 또한, 본 합성법을 통한 난류 입구유동의 길이크기에 따른 응답특성을 확인하기 위하여, 폭방향으로 다양한 길이스케일 변화를 주어 그 특성을 확인하였다. 그 결과, 폭방향의 길이스케일이 커질수록 벽면의 전단응력의 회복이 빨라졌으며, 이는 난류경계층의 발달이 빨라지는 것을 의미한다.

난류경계층에 놓인 2차원 및 3차원 트렌치 공동 주위의 표면압력변동 특성에 관한 연구

이영태,임희창 한국풍공학회 2011 한국풍공학회지 Vol.15 No.4

The paper aims to study on the surface pressure variation around open cavities under turbulent boundary flow. RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) modeling was applied for making a numerical simulation of turbulent flow. 2-equation models used in this paper include standard k-ε and k-ω SST model. In order to understand the flow and surface pressure variation around the cavities, the calculations are made on a series of 2 and 3-dimensional open trench cavities placed in a turbulent boundary layer at a Reynolds number of 1.6×10^4 based on the velocity at free stream velocity U_∞ and length of the cavity L. For getting an appropriate solution in the RANS equation for a cavity flow, the computational mesh is densely attracted to the cavity surface and coarsely far-field, as this also aids saving the computation cost and rapid convergence. The results include the flow and surface pressure variations inside cavities with the two different turbulence models. 본 논문은 난류경계층에 놓인 2차원 및 3차원 트렌치 공동 주위에서 나타나는 유동 및 표면압력 변동특성에 관한 연구이다. RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 기법을 적용하여 공동 주위 난류 유동을 2차원 및 3차원 격자를 구성하여 수치적으로 모사하였다. 여기서 사용된 난류모델은 RANS 2-방정식 난류모델로 표준 k-ε모델과 k-ω SST 모델이 사용되었으며, 적용된 모델링의 차이에 따른 트렌치 공동 주위의 유동 및 표면의 압력특성을 알아보았다. 적용된 난류모델이 타당한 해를 가지기 위해서 공동의 벽면에 격자를 밀집시켜 격자의존성에 의한 영향을 최소화 하였다. 트렌치 공동유동의 특성을 일반화하기위해 사용된 레이놀즈수는 특성길이와 유동장의 자유흐름속도를 기준으로 하였으며, 그 크기는 1.6×10^4이다. 본 연구의 최종 목적은 2가지의 난류모델에 의한 영향과 2차원 및 3차원 트렌치 공동내부의 표면압력 결과를 통해 공동 주위 유동 특징을 파악하고자 하였다.

유연재 코팅 평판의 난류 변동압력 특성에 관한 실험적 연구

박경훈,이승재,신구균,Park, Kyung-Hoon,Lee, Seung-Jae,Shin, Ku-Kyun 한국음향학회 2007 韓國音響學會誌 Vol.26 No.6

수중운동체가 주행할 때 수중운동체의 표면에는 난류 경계층이 형성되고, 난류 경계층 내 벽면 변동압력은 탄성체인 수중운동체의 표면을 가진시켜 유동 유기 소음을 발생시킨다. 이러한 유체 소음을 감소시키기 위한 하나의 방법으로 수중운동체 표면에 유연재를 부착하여 수중운동체의 유동 유기 방사 소음을 감소시키는 방법이 제안되기도 한다. 본 논문에서는 유연재 부착에 따른 수중에서의 유체소음의 변화 특성을 살펴보기 위하여 유연재가 코팅되지 않은 강판 시편과, 고무 재질의 Neoprene 및 폴리우레탄 재질의 유연재가 부착된 강판시편을 저소음 공동수조에 설치한 후 여러 가지 유속 조건에서 유체소음의 주요 소음원인 난류 경계층 내 벽면 변동압력을 측정하고 그 결과를 비교 분석하였다. 그 결과 유연재를 코팅한 경우에는 유연재로 인하여 난류 경계층의 두께가 두꺼워지는 등 경계층 유동이 변화하지만, 유연재에서의 난류 에너지의 소산으로 인하여 고주파수 대역에서 약 10dB의 벽면 변동압력의 감소 효과를 확인할 수 있었다. Turbulent boundary layer over an underwater vehicle is formed when it moves underwater and wall pressure fluctuation within the turbulent boundary layer generates flow-induced noise by exciting the elastic hull of the underwater vehicle. One of the methods to reduce this flow noise is to attach a compliant layer on the surface of the vehicle. In order to observe the possibility of noise reduction in the water when the compliant layer treatments are applied on the surface, three types of specimens those are a bare steel plate, a steel plate coated with neoprene and a steel plate with polyurethane coating material are tested at various flow speeds in a low noise cavitation tunnel. This paper presents the results of measurements and analysis of wall pressure fluctuations which is a main source of flow noise, within the turbulent boundary layer on three specimens. Its results could be shown that about 10dB reduction of wall fluctuation pressure at high frequencies was achieved due to the dissipation of turbulent energy by the compliant coating while it makes the turbulent boundary layer thicker and changes the behavior of turbulent flow in the layer.

난류 경계층 벽면 변동 압력에 의한 보의 진동해석

김은비,유정수 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.11

파이프 또는 케이블과 같이 단면의 형상이 길이방향으로 일정한 도파관구조물의 진동 해석은 도파관유한요소법(Waveguide Finite Element Method)을 이용해 효과적으로 수행할 수 있다. 도파관유한요소법(WFEM)은 구조물을 따라 전파하는 파동(Wave)을 이용해 진동을 해석하는 수치해석 기법이다. 본 연구에서는 이러한 도파관구조물 외부에서 유체유동에 의한 난류변동압력이 작용할 때 발생하는 구조물의 진동 해석에 도파관유한요소법(WFEM)을 적용해보고자 한다. 이를 위해 먼저 단순한 보에 대하여 난류 경계층 유동에 의한 진동 현상을 살펴보았다. 즉, 유한 길이(finite)의 보에 난류 변동 압력이 작용할 때 발생하는 진동을 모드방법과 파동방법을 이용해 해석하고 그 결과를 비교하여 파동방법이 적용가능함을 확인하였다. 이 후 에서는 모드방법을 적용할 수 없는 무한 길이(infinite) 보에 대해 난류 변동 압력에 의한 진동현상을 파동 방법으로 해석하였다. 차후 이 결과는 도파관유한요소법(WFEM)을 이용한 보의 진동 해석 결과와 비교하고자 한다. 이를 통해 WFE 방법이 난류 경계층 벽면 변동 압력에 의한 진동해석에 적용가능함을 확인하고, 추후 평판 및 튜브 등의 구조물에 대해 해석을 시도하고자 한다.

난류흐름의 화학적 동역학 모델 (TKM) 개발: 대류경계층 내의 NO_x-O₃ 단순 광화학 기작에 대한 난류혼합의 영향 연구

김미숙 ( Mi-sug Kim ) 한국환경기술학회 2017 한국환경기술학회지 Vol.18 No.2

많은 환경모델에서는 물질의 이송 또는 확산현상에서의 난류의 영향을 잘 묘사하면서도 보통 2 개의 반응물질에 대한 화학반응속도에서는 난류의 영향이 무시된 평균값만을 표기한다. 본 연구에서는 난류의 영향이 고려된 비선형의 2차 화학반응속도로 표현된 1차원 수직 난류흐름의 화학적 동역학 모델(1-D TKM)을 개발하였으며 그 첫 번째 적용사례를 제시하였다. 연구목적은 한 낮에 형성되는 대기의 대류혼합층(CBL) 내에서 상호작용하는 두 물질(지표에서 배출되는 물질 A와 대류혼합층의 상부로부터 유입되는 물질 B)간의 불완전 혼합과정을 정량적으로 설명하는 것으로 비균질의 CBL내에서 두 물질간의 하향식-상향식 확산에 대한 시뮬레이션을 수행하고 기존의 다른 모델형식과 비교하였다. 완전혼합을 가정하는 CBL에서 난류의 영향은 거의 무시될 수 있었으나 하층부와 상층부에서는 분리의 영향과 유입농도는 화학적 특성에 매우 민감하였으며 물리적 특성과 수치해석에는 덜 민감하였다. 반응속도 상수에 가장 민감한 인자로는 분리영향이며 상부의 유입농도의 영향은 매우 작았고 지표의 배출인자의 민감도는 그 특성에 따라 다양하게 나타났다. Numerous environmental models well describe turbulent effects on transport and dispersion phenomena. However, a chemical reaction rate between two species uses an only mean value ignored the turbulent effect. This study aims at developing a simple one-dimensional model to quantitatively account for turbulence-induced incomplete mixing of two interacting chemical species. Top-down and bottom-up(TDBU) diffusion of two reactive species in an inhomogeneous convective boundary layer(CBL) are simulated by means of 1-D vertical turbulent chemical kinetics model(TKM). The model incorporates an asymmetric convective model(ACM) scheme and a concentration field splitting method(CSM) using a phenomenal extent of reaction. The derived governing equations are integrated using forward finite differences. The TKM is applied to both irreversible and reversible reactions between ozone and nitric oxide in the summer daytime convective atmospheric boundary layer. Results, in the form of vertical profiles of reactants concentrations and intensities of segregation in the convective boundary layer show that for both the irreversible and reversible reactions, segregation is significant near the boundaries where the reactants sources are located. Segregation for the irreversible reaction is everywhere larger than for the reversible reaction because the photolysis of NO₂ tends to increase the NO concentrations while the covariances of the reacting species remain relatively constant. Comparison of the reactant concentrations from the TKM to a conventional kinetic model(CKM) that ignores effects of segregation reveals consistency in that everywhere in the CBL the TKM results lie between a no-reaction case and the CKM results.

높은 레이놀즈수를 가진 난류 진동 경계층에서의 k-ε과 k-ω 난류모형의 비교

손민우,이관홍,이길성,이두한 한국수자원학회 2011 한국수자원학회논문집 Vol.44 No.3

본 연구는 난류현상의 모형화를 위해 널리 이용되는 k-과 k- 난류모형을 비교하는 것이 목적으로, 횡방향 흐름이 무시될 수 있는 U-튜브 모양의 터널형 수로 내 높은 레이놀즈수를 가진 진동 경계층 흐름에 두 난류해석방법을 적용하였다. 난류모형의 적용은 1차원 연직 모형을 통해 이루어지며, 수치 모의 결과, 유속의 분포와 난류운동에너지 (turbulent kinetic energy) 모두에서 두 모형이 매우 유사한 결과를 나타낸다. 이를 통하여, 횡방향 The aim of this study is to compare k- and k- closures under the condition of oscillatory layer flow at high Reynolds number. A one dimensional vertical model incorporated with flow momentum equations and turbulence models (k- and k-) is applied to the la

박리-재부착 이후의 재발달 난류경계층 II -난류 모델들에 관한 고찰-

백세진,유정열 대한기계학회 1989 대한기계학회논문집 Vol.13 No.5

본 연구의 목적은 첫째, 재발달 경계층에서의 난류에서지 및 난류전단응력에 대한 전달방정식들의 각 항의 측정자료들을 보다 정확히 제시하고 항들간의 균형을 비교 평가함으로써 비평형 유동으로부터 평형유동으로 회복되는 과정을 검토하고, 둘째, 대표적인 난류 모델들로써 표존 k-.epsilon.모델 및 레이놀즈 응력 모델을 사용한 수치계산을 수행함으로써 이와같은 모델들이 비평형 유동을 서술함에 있어 발생될 수 있는 문제점들을 고찰하는데 있다. A consideration on the trubulence models for describing the redeveloping turbulent boundary layer beyond separation-reattachment in the flow over a backward-facing step is given through experimental and numerical studies. By considering the blance among the measured values of respective terms in the transport equations for the turbulent kinetic energy and the turbulent shear stress, the recovering process of the redeveloping boundary layer from non-equilibrium to equilibrium has been investigated, which takes place slowly over a substantial distance in the downstream direction. In the numerical study, the standard K-.epsilon. model and the Reynolds stress model have been applied to two kinds of flow regions, one for the entire downstream region after the backward-facing step and another for the downstream region after reattachment. Then the results are compared to a meaningful extent, with the experimental values of the turbulent kinetic energy k, the turbulent energy production term P, the dissipation term K-.epsilon. model, a necessity for a new modelling has been brought forward, which can be also applied to the case of the nonequlibrium turbulent flow.