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.

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.

수평축 풍력터빈의 공력 하중 비교 (Ⅰ)

김진(Jin Kim),강승희(Seung-Hee Kang),유기완(Ki-Wahn Ryu) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.5

본 연구에서는 난류 유입조건을 갖는 수평축 풍력터빈 블레이드의 공력 하중에 대해 초점을 맞추어 연구하였다. 난류모델은 풍속과 방향에 대한 변동을 포함하며, 그 특성은 난류강도와 표준편차로 표현된다. IEC61400-1에서는 정상 난류 모델과 정상 풍속 측면도에 대해서 피로해석을 수행하도록 규정하고 있다. 이를 위해 공력 최적설계 절차를 통해 얻어낸 ㎿급 수평축 풍력터빈 블레이드 허브와 저속 회전축에 대한 공력하중 해석을 수행한다. 공력하중 성분은 수치적인 절차를 통해 얻어내며 이를 블레이드 회전 특성을 고려하여 해석적으로 검토하였다. 난류 조건을 고려했을 때의 최대 추력과 토크의 변동치는 난류 조건을 고려하지 않았을 때의 값들에 비해 5~8 배 더 큰 값을 보였다. 따라서 난류 조건을 반영한 하중 해석은 풍력터빈 블레이드의 구조설계에 있어서 필수적임을 확인하였다. This study focused on the aerodynamic loads of the horizontal axis wind turbine blade due to the normal turbulence inflow condition. Normal turbulence model (NTM) includes the variations of wind speed and direction, and it is characterized by turbulence intensity and standard deviation of flow fluctuation. IEC61400-1 recommends the fatigue analysis for the NTM and the normal wind profile (NWP) conditions. The aerodynamic loads are obtained at the blade hub and the low speed drive shaft for MW class horizontal axis wind turbine which is designed by using aerodynamically optimized procedure. The 6-components of aerodynamic loads are investigated between numerical results and load components analysis. From the calculated results the maximum amplitudes of oscillated thrust and torque for LSS with turbulent inflow condition are about 5~8 times larger than those with no turbulent inflow condition. It turns out that the aerodynamic load analysis with normal turbulence model is essential for structural design of the wind turbine blade.

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.

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.

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 $Y_P+$.

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.

벽면에 부착된 사각 실린더 주변 유동에 대한 난류모델 비교연구

Jun-Young Bae,Gi-Su Song 해양환경안전학회 2020 해양환경안전학회지 Vol.26 No.4

본 논문에서는 건물, 교량 및 해양구조물에 많이 적용되는 기본적인 형상인 벽면에 부착되어 있는 사각실린더 주변의 유동에 대해, 3개의 난류모델(v2-f 모델, k-ω 모델, k-ε 모델)을 적용하여 URANS 수치해석을 각각 수행하고, 그 결과를 비교하였다. 이 유동 은 물체의 모서리에서 발생하는 칼만와(karman vortex) 때문에 본질적으로 강한 비정상성을 가지고 있으며, 물체의 후류 영역에서도 매우 복잡한 유동구조를 가지고 있다고 알려져 있다. 3개의 난류모델이 적용된 수치해석으로부터 예측되는 평균 유동장과 지배적인 유동 의 주파수를 Wang et al.(2004; 2006)의 실험결과와 비교하였다. 비교 결과, v2-f 모델이 적용된 URANS 결과가 실험결과와 가장 유사한 결과를 보여주었고, k-ω 모델도 우수한 결과를 보인 반면, k-ε 모델은 본 대상 유동에 적용하기에 부족함을 확인하였다. 따라서 강한 박리가 존재하는 유동의 해석 시에는 v2-f 모델은 좋은 선택이다. 그리고 유동의 박리 제어를 위한 연구에 활용될 것으로 기대된다. The flow past a wall mounted square cylinder, a typical and basic shape of building, bridge or offshore structure, was simulated using URANS computation through adoption of three turbulence models, namely, the k-ε model, k-ω model, and the v2-f model. It is well known that this flow is naturally unstable due to the Karman vortex shedding and exhibits a complex flow structure in the wake region. The mean flow field including velocity profiles and the dominant frequency of flow oscillation that was from the simulations discussed earlier were compared with the experimental data observed by Wang et al. (2004; 2006). Based on these comparisons it was found that the v2-f model is most accurate for the URANS simulation; moreover, the k-ω model is also acceptable. However, the k-ε model was found to be unsuitable in this case. Therefore, v2-f model is proved to be an excellent choice for the analysis of flow with massive separation. Therefore, it is expected to be used in future by studies aiming to control the flow separation.

천해에 적용가능한 태풍 해일-조석-파랑 수치모델 개발 1. 해수유동 모델의 정확성 검토

천제호(Chun, Je-Ho),안경모(Ahn, Kyung-Mo),윤종태(Yoon, Jong-Tae) 한국해안해양공학회 2009 한국해안해양공학회 논문집 Vol.21 No.1

본 논문에서는 천해에 적용 가능한 동적결합형 태풍 해일-조석-파랑 수치모델의 개발과 개발된 모델의 정확성을 검증하였다. 태풍 해일과 조석 수치모델은 POM (Princeton Ocean Model)을 기반으로 하였으며, 풍파 파랑 수치모델은 WAM (Wave Model)을 기반으로 천해에 적용할 수 있도록 수정하여 두 모델을 동적으로 결합하였다. 연속된 두 개의 논문 중에 첫 번째 논문인 본 논문에서는 해일과 조석을 수치 모의하는 해수유동 부분의 수치모의의 안정성과 정확성을 검증하였다. 수치모의의 안정성과 정확성 향상을 위하여 기존의 POM 모델의 난류 수치모델 부분과 연직속도 계산 알고리즘을 수정 보완하였다. 수정된 POM 모델의 정확성과 수치적 안정성 검증을 위하여 해석해와 실 해역에서 측정된 관측결과와 비교하였으며, 수정된 POM 모델이 기존의 POM 모델보다 수치계산의 안정성과 정확성이 개선되었음을 확인할 수 있었다. This paper presents the development of dynamically combined Typhoon generated surge-tide-wave numerical model which is applicable to shallow water. The newly developed model is based on both POM (Princeton Ocean Model) for the surge and tide and WAM (WAve Model) for wind-generated waves, but is modified to be applicable to shallow water. In this paper which is the first paper of the two in a sequence, we verified the accuracy and numerical stability of the hydrodynamic part of the model which is responsible for the simulation of Typhoon generated surge and tide. In order to improve the accuracy and numerical stability of the combined model, we modified algorithms responsible for turbulent modeling as well as vertical velocity computation routine of POM. Verification of the model performance had been conducted by comparing numerical simulation results with analytic solutions as well as data obtained from field measurement. The modified POM is shown to be more accurate and numerically stable compare to the existing POM.

충격파 -경계층 간섭 유동에서 k-ω 와 k-e 난류 모델의 수치적 비교 연구

최재형,염효원,성홍계 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

충격파 - 경계층 간섭유동에 적합한 난류 모델을 비교하는 수치해석을 수행했다. k-ω 와 k-ε 난류 모델에 압축성 효과를 고려하기 위해 Sarkar 와 Wilcox 모델을 조합하였다. 경계층과 자유 유동의 정확한 조건을 추정하기 위하여 시험물을 포함한 풍동장치 전 영역을 모델링하여 수치해석을 수행하였다. k-ω와 k-ε 모델의 결과는 두드러진 계산 결과의 차이가 발생하였는데, k-ε 모델에서는 압축성 효과가 많은 영향을 미치고 있으나 k-ω 모델에서는 압축성 효과에 의한 차이가 크게 발생하지 않았다. 본 연구에 소요되는 계산시간의 효율성을 위하여 계산영역을 다중 블록으로 구성하였으며, MPI(Message Passing Interface) 병렬 계산 기법을 적용하였다. To validation of turbulence models suitable for the shock - boundary layer interaction, numerical analysis was performed. The turbulent effects are modeled utilizing two-equation turbulence models, the low Reynolds k-ε and the k-ω SST models with compressibility corrections proposed by the Sarkar and Wilcox. The numerical domain of concern includes the wind tunnel experimental equipment and test section as well. There is a noticeable distinction between results of k-ω and k-ε models. For compressibility effect, the k-ω model has provided similar results, however the k-ε model has brought relatively different results. The code is paralleled with multi-block feature using MPI(Massage Passing Interface) library to speed up the calculation.