A Simple Calculational Method by using Modified Von Mises Transformation applied to the Coaxial Turbulent Jet Mixing

유동함수를 이용한 난류제트혼합유동 계산에 관한 연구

A simple but efficient grid generation technique by using the modified compressible form of stream function has been formulated. Transformation of a physical plane to a streamline plane, the Von Mises Transformation, has been widely used to solve the differential equations governing flow phenomena, however, limitation arises in low velocity region of boundary layer, mixing layer and wake region where the relatively large grid spacing is inevitable. Modified Von Mises Transformation with simple mathematical adjustment for the stream function is suggested and applied to solve the confined coaxial turbulent jet mixing with simple $\kappa-\epsilon$ turbulence model. Comparison with several experimental data of axial mean velocity, turbulent kinetic energy, and Reynolds shear stress distribution shows quite good agreement in the mixing layer except in the centerline where the turbulent kinetic energy distributions were somewhat under estimated. This formulation is strongly suggested to be utilized specially for free turbulent mixing layers in axisymmetric flow conditions such as the investigation of mixing behavior, jet noise production and reduction for Turbofan engines.

많은 장점에도 불구하고 유동함수를 이용한 수치해석용 격자생성 좌표변환기법의 단점은 저속영역에서의 격자간격이 고속영역에 비해 상대적으로 큼에 따라 수치적 처리에 많은 오차를 내포하고 있다는 점이다. 본 연구에서는 이러한 저속영역에서의 단점을 보완하기 위하여 격자간격을 속도크기 및 영역에 따라 적절히 조절할 수 있도록 수학적으로 변형된 압축성 유동함수를 이용한 좌표변환기법을 제안하고 가스터빈엔진에 주로 적용되는 유동모델로서 동심원상 두개 이상의 난류제트혼합유동에 대해 적용하였으며 해당 실험치, 즉 축 방향 평균속도분포, 난류운동에너지, 그리고 난류전단응력분포와 비교하여 난류운동에너지가 약간 과소평가 된 대칭축을 제외한 혼합경계층 내에서 $3.5\%$ 이내의 신뢰성을 확보하였다. 본 기법은 특히 터보팬엔진에 대한 내부흐름들의 혼합유동을 규명하거나 또는 난류전단응력에 의한 제트소음발생 및 저감방법을 도모하는데 유용하게 활용될 것으로 기대된다.