표면조도가 난류경계층에 미치는 영향

Abstract

난류경계층에 대한 표면조도의 영향을 알아보기 위한 실험적 연구를 행하였다. 본 연구는 두개의 서로 다른 높이의 표면조도와 PIV시스템을 이용하였다. 표면조도는 사각단면을 가진 봉을 횡 방향으로 놓고 유동방향으로 배열하여 구성하였다. 이 때 표면조도의 한 주기 길이에 대한 표면조도의 한 변의 길이의 비가 8:1이 되도록 하였다. 각각의 표면조도의 높이는 sandgrain roughness로 환산한 표면조도의 높이에 대한 경계층 두께의 비가 25.1과 7.4가 되도록 하였다. 모멘텀 두께에 대한 레이놀즈 수의 범위는 1190에서 1303이 되도록 하였다. 경계층 끝에서의 난류강도는 2.3%에서 3.4%가 되도록 하였다. 마찰속도는 매끄러운 표면의 경우 Computational preston tube방법을 사용하였고 거친 표면의 경우 Krogstad의 방법을 사용하였다. Wake parameter의 경우 ``wall similarity``에 반하여 표면조도의 높이에 따라 달라지는 것으로 드러났다. 표면조도는 또한 경계층의 바깥영역에서 난류강도를 크게 증가시켰다. 매끄러운 표면과 비교해 볼 때, 평균 속도장은 각각 roughness function의 크기로서 4.5 와 7.5 만큼 아래쪽으로 이동하였다. 본 연구 결과를 종합해 볼 때 표면조도는 벽 근처에만 한정되지 않고 난류경계층의 바깥영역까지 영향을 미치는 것으로 드러났다.