Numerical and Experimental Investigation on the Interaction of Subsurface Vortical Flows with a Free Surface

수면하 보오텍스 유동과 자유표면과의 상호 작용에 관한 연구

In order to predict the free surface signature of turbulent ship wakes two things are essential; a basic understanding of the mechanism of turbulent vortical flow/free surface interactions and a mathematical model to accurately predict the signature. The goal of the study described here is both to supplement experimental work to obtain basic understanding, as well as to condense this understanding in a model(or models) that captures the essential phenomena and thus allows predictions. To do so we followed two main paths guided by experimental observations. One is full simulations of the flow using the clavier-Stokes equations. The other is a vortex modeling, where the vortical structures of the flows are approximated by idealized structures, an the interaction assumed to be essentially inviscid. These approaches complement each other. Full simulations are only applicable to small scale phenomena, where the system is simple, and the Reynolds number is low. The vortex modeling, on the other hand, cannot represent essentially viscous aspects of the problem such as the effect of contamination gradient. Obviously, the modeling is what may eventually lead to a prediction method; the full simulations-too limited to mimic all but the simplest circumstances-are to aid and support the construction of realistic models. We address two-dimensional aspects of the vortex/free surface interaction first. Secondly we obtain some basic understanding of the interaction process through an experiment and then talk about several three-dimensional problems hoping to develop a successful prediction model.

자유표면과 수면하 vortex 유동과의 상호작용으로 생기는 수면위의 특이 형상을 실험과 수치해석으로 얻어진 결과에 근거하여 논하였다. 먼저 2차원적인 실험이나 해석적인 연구로 이해될 수 있는 "striation"의 발생을 살펴 본다. "Scar"라 불리우는 striation과 수직한 형상은 2차원 vortex filament와 vortex pair 생성시 생겨나는 residual vortex의 상호작용으로 설명하였다. 간단하면서도 중요한 상호작용의 역학을 연구할 목적으로 vortex ring이 자유표면과 수직하게 충돌할 경우에 나타나는 현상들을 실험적으로 논하였고 이때 상호작용의 초기단계를 축대칭 문제로 하여 수치해석적으로 얻어진 결과와 비교하였다. 상호작용의 후기단계는 vortex reconnection을 포함하는 복잡한 과정인데 이때 수면에서의 짧은파 생성을 vortex ring의 수면과의 경사진 충돌로 설명하였다. 또한 위의 수면과 생성을 간단한 해석적 model로 재구성하여 비교해 보았다. 끝으로 수면위에 존재하는 오염물질이 수면하 vortex 유동에 미치는 영향을 수치해석적인 방법으로 free slip및 rigid wall 조건의 경우와 비교하여 살펴보았다.