벽면 장착 큐브를 지나는 유체 흐름의 소용돌이 시각화

미국 해군 사관학교와 조지 메이슨 대학의 연구자들, 처음으로 Tecplot 360을 사용하여 벽에 부착된 큐브 위의 말굽 소용돌이를 명확하게 시각화하다.

해변에 서서 파도가 발밑을 지나가면서 모래가 무너지는 느낌을 경험한 적이 있습니까? 바로 그 순간, 유체 흐름의 강력한 효과를 몸소 체험한 것입니다. 파도가 발끝과 발처럼 표면의 경계와 만날 때, 그 경계에서 발생하는 소용돌이는 전단력을 생성하여 모래 입자를 쓸어내며, 동시에 우리의 발은 서서히 모래 속으로 가라앉게 됩니다. 이 현상을 여름날에 관찰하는 것은 매우 매력적인 일입니다. 하지만 이런 힘은 물, 바람, 그리고 다른 유체 역학적 특성을 가진 재료에 의해 영향을 받는 구조물의 무결성을 보장해야 하는 사람들에게 심각한 문제를 일으킬 수도 있습니다.

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지난 30년간 유체 흐름을 연구해온 많은 연구자들의 작업을 바탕으로, 리아코스와 그의 동료 니콜라오스 A. 말라마타리스(버지니아주 페어팩스에 있는 조지메이슨대학교 물리학, 천문학 및 컴퓨터 과학 학교)는 최근 말굽 소용돌이를 실제 3D 이미지로 명확하게 시각화하는 작업을 처음으로 성공적으로 진행했습니다.

흐름이 느리게 진행되는 조건에서의 연구

그림 2는 벽에 장착된 큐브에서 상류로 형성된 말굽 소용돌이의 오른쪽 절반을 확대하여 보여줍니다. 이번 계산 연구에서 처음으로 이 소용돌이가 실제 3차원 이미지로 나타났습니다. 대칭 평면을 따라 압력과 중요한 지점들을 단계별로 연구한 결과, 흐름이 느리게 진행되는 조건에서 나타나는 불리한 압력 기울기가 말굽 소용돌이가 형성되기 위해서는 일정한 크기를 가져야 한다는 사실을 확인할 수 있었습니다. 말굽 소용돌이는 레이놀즈 수 1266에서 나타납니다.

Malamataris와 Liakos는 그림 3에서 보여지듯이, 모든 레이놀즈 수에 대해 흐름이 시뮬레이션된 경우 큐브의 측면에 토네이도 모양의 소용돌이가 존재한다는 것을 발견했습니다. 이 소용돌이는 큐브의 측면과 채널 바닥 벽 사이에 형성된 이등변 각도 때문에 발생합니다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 전단력이 증가함에 따라 이 소용돌이의 형태는 비틀리게 됩니다.

유체 역학의 기본적인 이해를 얻기 위해, Malamataris와 Liakos는 흐름이 미끄러지는 조건 하에서 그리고 전반적인 층류 흐름 범위에서 유동을 연구해야 했습니다. 이는 낮은 레이놀즈 수에서 중간 정도의 레이놀즈 수에 이르는 폭넓은 범위의 3차원 유동을 조사하는 것을 의미했습니다.

그들은 커스텀 병렬 유한 요소 코드(finite element code)를 사용하여 수치 시뮬레이션을 실행했습니다. 계산 영역은 실제 실험 조건에 맞게 설계되었고, 결과 분석은 3차원 분리 이론을 사용하여 수행되었습니다. 마지막 단계는 이를 Tecplot 360으로 가져오는 것이었습니다.

기술지원

온도와 시간의 영향

이것은 Liakos와 Malamataris의 협력의 시작에 불과합니다. 연구자들은 벽에 장착된 큐브 주위의 유동과 관련된 다른 매개변수들을 조사할 계획입니다. 여기에는 온도, 시간, 비대칭 경계의 영향이 포함됩니다.