PANS를 이용한 사각실린더 주변의 유동장 해석

Abstract

1990년대 후반부터 RANS와 LES의 장점이 결합된 Hybrid RANS/LES 기법들이 제안되어져 오고있다. 요구되는 격자개수가 LES 계산보다 훨씬 적고, 유동의 비정상 특성은 RANS 보다 더 사실적으로 모사되므로 이 기법은 공학문제에 적용하기에 매우 실용적이다. 본 몬문에서는 Hybrid RANS/LES 기법 중 하나인 Partially-Averaged Navier-Stokes (PANS)에 대해 자세히 연구하였다. PANS에서 중요한 것은 비분해된 량과 전체량의 비를 의미하는 유동장 내의 제어변수를 어떻게 구할 것인가 하는 점과 격자계를 어떻게 효율적으로 구성하는가 하는 점이다. 제어변수를 얻을 수 있는 새로운 함수형태를 제안하였고 난류길이스케일, Kolmogorov 길이스케일 그리고 절단격자길이의 함수로 구성되어 있다. 정상 RANS 계산을 사용하며 대략적인 난류길이스케일, Kolmogorov 길이스케일을 얻었다. 그 후 이들 길이스케일에 기초하여 PANS 계산을 위한 5개의 격자계를 구성하였고 PANS 계산시 길이스케일들이 업데이트가 되면서 제어변수가 결정되도록 하였다. 새로운 형태로 제안된 제어변수를 검증하고 PANS 계산시 적절한 격자계를 찾기 위해 사각실린더를 지나는 유동이 수치적으로 모사되었다. 해석을 통해 얻어진 속도의 분포와 평균압력분포 등과 같은 평균유동장과 유동의 지배적인 주파수를 의미하는 Strouhal 수와 같은 비정상 유동장은 실험치와 LES,DES 결과등과 비교되었다. 비교를 통해 PANS 기법은 LES에서 요구되는 격자계에 비해 훨씬 성긴 격자계로도 정확한 결과가 산출되므로 박리가 수반되는 난류유동에 매우 효과적인 방법임을 알 수 있다. 그리고 그 결과로부터 후류지역에서 제어변수의 값이 0.5이하가 되도록 격자계를 구성하는 것이 좋은 결과를 산출하고 있음을 확인할 수 있다.