저임계, 임계, 초임계 영역에서의 원형 실린더 주위 유동: 비정상 유동 특성과 항력 모델링

학위논문(박사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공), 2022.2. 최해천.Numerical simulations of the flows over a circular cylinder are conducted to investigate the unsteady flow characteristics and to propose predictive models of the drag coefficient. In part I, we conduct large eddy simulations of flows around a circular cylinder in the subcritical, critical and super-critical regimes using an immersed boundary method. The Reynolds numbers considered in the study are 60000 for the subcritical regime, 250000 and 380000 for the critical regime and 850000 for the super-critical regime. The drag coefficients and the Strouhal numbers of the present simulation agree well with those of previous studies. At the subcritical regime, the favorable gradient of the mean surface pressure is observed after the separation point. Strong Karman vortex is developed close to the cylinder surface and the minimum pressure of the phase-averaged flow field is observed in the center of the Karman vortex. On the other hand, wide regions of pressure recovery along the cylinder surface are observed after the flow separation at the critical and the super-critical regimes. The phase-averaged pressures in the Karman vortices at the regimes are higher than the pressure at the subcritical regime. The frequency of the shear layer vortex increases as the Reynolds number increases and the frequency normalized with the external azimuthal velocity and the momentum thickness at the laminar separation point is almost constant regardless of the Reynolds numbers at the critical and the super-critical regimes. In part II, we suggest a predictive model of the drag coefficient of a circular cylinder using the information of the mean streamwise velocity and Reynolds normal stresses at a streamwise location in the wake. The boundary layer approximation in the wake and the Bernoulli equation in the inviscid region are used to model the contribution from the pressure distribution at the streamwise measurement location. To examine the accuracy of the present model, unsteady three-dimensional numerical simulations are conducted at various Reynolds numbers from laminar to super-critical regimes. The drag coefficients predicted from the present model agree very well with those from the present numerical simulation at the streamwise location downstream of the vortex formation region. We also revisit the universal Strouhal number concept and suggest new characteristic scales for the Karman vortex formation based on the mean streamwise velocity deficit at the centerline and the half-width of the wake. Using the characteristic scales at the streamwise location where the mean velocity deficit divided by the half-width becomes maximum, we propose another predictive model of the drag coefficient of a circular cylinder. With additional assumptions validated by the present simulation results, we propose a scaling law describing the relation among the drag coefficient, the Strouhal number and the base pressure coefficient. Available data not only for a circular cylinder but also for other two-dimensional bluff bodies are applied to the present scaling law, showing excellent collapses onto the scaling law.본 연구에서는 원형 실린더 주위 유동에 대해 고정밀 수치해석을 수행하여 비정상 유동 특성을 분석하고 항력계수 예측 모델을 제안하였다. 제 1장에서는 가상 경계방법을 적용하여 저임계, 임계, 초임계 영역의 원형 실린더 유동에 대한 큰 에디 모사를 수행하였다. 해석에 사용한 레이놀즈 수는 저임계 영역에서는 60000, 임계 영역에서는 250000과 380000, 초임계 영역에서는 850000이다. 본 시뮬레이션의 결과로 얻은 항력계수와 스트로우할 수는 기존 연구와 잘 일치한다. 저임계 영역에서는 유동 박리점 이후에서 음의 기울기를 갖는 표면압력분포를 관찰하였다. 이 표면 부근에서 칼만 와류가 발달하는 것을 위상 평균된 유동장으로부터 확인하였고, 이 때 칼만 와류의 중심에서 압력의 최소값을 관찰하였다. 반면 임계 및 초임계 영역에서는 유동 박리 후 비교적 넓은 영역에서 표면압력의 회복이 발생하였다. 이 영역들에서 칼만 와류 내 위상 평균된 압력은 저임계 영역에서의 압력보다 더 높았다. 박리점 직후에 발생하는 전단층 와류의 주파수는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 증가하였고 박리점에서의 외부 방위각 속도 및 운동량 두께로 무차원화하면 레이놀즈 수에 관계없이 거의 일정하였다. 제 2장에서는 실린더의 항력계수에 대한 두 가지 예측 모델을 제안하였다. 첫 번째 모델은 주유동방향 측정 위치에서의 주유동방향 평균 속도와 레이놀즈 수직 응력 정보로부터 항력계수를 예측한다. 압력 분포의 영향을 모델링하기 위해 경계층 근사를 후류 영역에서 사용하고 베르누이 방정식을 비점성 영역에서 적용하였다. 3차원 비정상 시뮬레이션 결과로부터 얻은 유동장 정보에 본 모델을 적용해보니 시뮬레이션으로부터 얻은 항력 계수와 모델로 예측한 항력 계수가 잘 일치하였다. 또 다른 모델은 칼만 와류 형성에 대한 새로운 특성 스케일들을 정의하고 이를 기반으로 제안하였다. 속도, 전압력 그리고 길이에 대한 특성 스케일은 각각 중심선에서의 주유동방향 평균 속도 결손, 평균 전압 결손 그리고 후류 절반 너비이다. 이 스케일들로부터 항력 계수의 예측 모델을 추가적으로 제안하였을 뿐 아니라 보편 스트로우할 수 또한 제시하였다. 그리고 시뮬레이션 결과에 의해 검증된 추가 가정으로 항력 계수, 스트로우할 수 및 기저 압력 계수 간의 관계를 설명하는 스케일링 법칙을 유도하였다. 원형 실린더 이외의 다른 2차원 형상의 데이터를 본 스케일링 법칙에 적용하였으며, 데이터들이 본 스케일링 법칙에 잘 부합하는 것을 확인하였다.Abstract i Contents iv List of Figures vi List of Tables xii Part I A numerical study of flows over a circular cylinder in the subcritical, critical and super-critical regimes 1 1 Introduction 2 2 Numerical methods 7 2.1. Governing equations and computational details 7 2.2. Validation 9 3 Results and discussions 19 3.1. Mean flow characteristics 19 3.2. Periodic flow characteristics during the Karman vortex formation 22 3.3. Unsteady flow characteristics of the separated shear layer 24 4 Conclusions 50 Part II Universal relations between the drag and the wake of a circular cylinder 52 1 Introduction 53 2 Numerical methods 58 2.1. Simulation cases 58 2.2. Validation 59 3 A predictive model of the drag coefficient based on the velocity information in the wake 62 3.1. Formulation for the drag coefficient model 62 3.2. Validity of the assumptions 67 3.3. Criteria for the accurate prediction 71 4 Universal Strouhal number and a scaling law regarding the drag 80 4.1. Characteristic scales for the vortex formation 80 4.2. A scaling law for the drag of two-dimensional bluff bodies 83 5 Conclusions 98 References 100 Abstract (in Korean) 107박

Multi-slab hybrid radar absorbing structure containing short carbon fiber layer with controllable permittivity

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학과, 2021.2,[iv, 50 p. :]전자파를 통해 적을 탐지하는 레이더 (RADAR) 기술이 등장 및 발전함에 따라 이에 대항하여 스텔스 (Stealth) 기술이 등장하였다. 여러 스텔스 기술 중 전자파흡수구조 (RAS)는 다기능성 복합재로 하중 지지 및 전자파 흡수가 가능한 구조이다. 다층형 전자파흡수구조 (Multi-slab RAS)는 각 슬랩 (Slab)의 두께 및 전자기적 특성을 제어하여 임피던스 정합 (Impedance matching)을 통해 설계된다. 따라서 각각의 슬랩의 전자기적 특성을 직접적으로 제어하면 전자파흡수구조의 설계의 자유도를 향상시킬 수 있다. 이에 따라 본 연구는 유전율 제어가 가능한 단탄소 섬유층이 포함된 다층형 하이브리드 전자파흡수구조를 제안하였다. 특정한 면적밀도의 단탄소 섬유층이 포함된 하이브리드 복합재료를 제작하여 단탄소 섬유의 면적 밀도에 따른 복소 유전율를 측정하였다. 면적 밀도의 증가함에 따라 하이브리드 복합재료의 유전율의 실수부는 증가하다 특정 면적밀도부터 점점 감소하였으며 허수부는 면적 밀도와 비례하여 증가하였다. 측정된 유전율을 통해 X 밴드 및 다중 대역의 전자파를 흡수할 수 있는 다층형 하이브리드 전자파흡수구조를 설계 및 제작하였다. 전자파 흡수 성능 측정 결과 설계 대역의 전자파를 대부분 흡수하였으며 전계 방향에 독립적인 전자파 흡수성능을 확인하였다.한국과학기술원 :항공우주공학과

Numerical Analysis for Suppressing Unsteady Wake Flow on Wind Turbine Tower Using EDISON_CFD

The performance of the wind turbine is determined by wind speed and unsteady flow characteristics. Unsteady wake flow causes not only the decline in performance but also structural problems of the wind turbine. In this paper, conceptual designs for the wind turbine tower are conducted to minimize unsteady wake flow. Numerical simulations are performed to inspect the shape effect of the tower. Through the installation of additional structures at the rear of the tower, the creation of Karman vortex is delayed properly and vortex interactions are reduced extremely, which enhance the stability of the wind turbine. From the comparative analysis of lift and drag coefficients for each structure, it is concluded that two streamwise tips with a splitter plate have the most improved aerodynamic characteristics in stabilizing wake flow.본 논문은 2012년도 교육과학기술부의 재원으로 한국연구재단 첨단사이언스 교육허브개발사업(EDISON)의 지원(2012-0006661)과, 국토해양부 건설기술혁신사업 초장대교량사업단(08기술혁신E01)의 연구비 지원으로 수행되었음OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2013-01/102/0000004648/2SEQ:2PERF_CD:SNU2013-01EVAL_ITEM_CD:102USER_ID:0000004648ADJUST_YN:YEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:edison_전산열유체를_활용한_풍력발전기_타워의_후류_불안정성_억제에_관한_수치연구.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]_YN:NCONFIRM: