• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.171-171
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• 2022

난류 수체에서 관성입자의 침강속도는 정지 수체에서보다 빠르고, 그 침강속도의 증가비율은 입자의 관성력과 난류의 길이 스케일에 큰 영향을 받는다고 알려져 있다(Wang and Maxey, 1993; Yang and Shy, 2003; Wang et al., 2018). 본 연구에서는 개수로 흐름에서 난류의 영향을 받는 관성입자의 침강속도를 측정하고, 정지 상태의 침강속도에 대한 침강속도의 증가비율과 난류 인자의연관성에 대해 조사하였다. 실험에 사용된 관성입자는 비중 1.35, 직경 300 ㎛에서 2000 ㎛까지의 구형 플라스틱(PE; polyethylene) 입자이며, 해당 입자들의 침강속도는 PTV(particle tracking velocimetry) 방식을 통해 측정하였다. 그리고 PIV(particle image velocimetry) 기법을 통해, 개수로 흐름의 난류 에너지 소산율(energy dissipation rate, ϵ)과 그에 따른 Kolomogorov 길이 스케일을 측정하였다. 실험 결과, 모든 직경 조건에서 플라스틱 입자는 난류 흐름에서의 침강속도가 정지 수체에서의 침강속도보다 빠름을 보였으며, 그 비율은 입자 직경이 난류의 길이 스케일과 유사하거나 작아질 때 큰 폭으로 증가하는 것을 확인하였다. 또한 유체 내에서의 관성입자의 거동에 대한 이론식과 비교하여 관성입자의 침강에 미치는 여러 힘들의 상대적 관계를 파악하였다. 본 연구의 결과는 자연 수체에서 미세플라스틱의 거동을 이해하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제33권6호
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• pp.427-434
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• 2009

A new surface shape of an internal cooling passage which largely reduces the pressure drop and enhances the surface heat transfer is proposed in the present study. The surface shape of the cooling passage is consisted of the concave dimple and the riblet inside the dimple which is protruded along the stream-wise direction. Direct Numerical Simulation (DNS) for the fully developed turbulent flow and thermal fields in the cooling passage is conducted. The numerical simulations for five different surface shapes are conducted at the Reynolds number of 2800 based on the mean bulk velocity and channel height and Prandtl number of 0.71. The driving pressure gradient is adjusted to keep a constant mass flow rate in the x direction. The thermoaerodynamic performance for five different cases used in the present study was assessed in terms of the drag, Nusselt number, Fanning friction factor, volume and area goodness factor in the cooling passage. The value of maximum ratio of drag reduction is -22.86 %, and the value of maximum ratio of Nusselt number augmentation is 7.05% when the riblet angle is $60^{\circ}$. The remarkable point is that the ratio of Nusselt number augmentation has the positive value for the surface shapes which have over $45^{\circ}$ of the riblet angle. The maximum volume and area goodness factors are obtained when the riblet angle is $60^{\circ}$.

• 한국수자원학회논문집
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• 제32권3호
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• pp.225-235
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• 1999

가로흐름이 존재하는 수역으로 방출되는 온배수 해석에 3가지 난류모형의 사용성 평가를 위해서 근역 2차원 수치모형을 개발하였다. 적용한 난류모형은 2-방정식 난류모형인 {{{{ { k}_{ } }}}}-$\varepsilon$ 및 {{{{ { k}_{ } }}}}-ι 난류모형과 {{{{ { k}_{ } }}}}-$\varepsilon$ 난류모형에 부력생성 항 및 난류 열 플럭스 항 결정을 위한 변동온도 평균자승항 및 이의 감쇠율에 대한 전달 방정식을 추가한 4-방정식 난류모형이다. 개발된 모형은 간단한 단면을 갖는 개수로 정류 경우에 대해 적용하였으며, 계산된 결과는 기존의 실험결과와 비교적 잘 일치하였다. 4-방정식 난류모형에 의한 결과가 2-방정식에 의한 결과보다 부력에 의한 횡방향의 중력확장을 잘 나타내었으며, 흐름 양상의 계산에는 3가지 경우 모두 유사하게 흐름을 재현함을 보였다.

• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2008년도 추계학술대회B
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• pp.2465-2470
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• 2008

A new surface shape of an internal cooling passage which largely reduces the pressure drop and enhances the surface heat transfer is proposed in the present study. The surface shape of the cooling passage is consisted of the concave dimple and the riblet inside the dimple which is protruded along the stream-wise direction. Direct Numerical Simulation (DNS) for the fully developed turbulent flow and thermal fields in the cooling passage is conducted. The Numerical simulations for the 5 different surface shapes are conducted at the Reynolds number of 2800 based on the mean bulk velocity and channel height and Prandtl number of 0.71. The driving pressure gradient is adjusted to keep a constant mass flow rate in the x direction. The thermo-aerodynamic performance for the 5 different cases used in the present study was assessed in terms of the drag, Nusselt number, Fanning friction factor, Volume and Area goodness factor in the cooling passage. The value of maximum ratio of drag reduction is -22.86 [%], and the value of maximum ratio of Nusselt number augmentation is 7.05 [%] when the riblet angle is $60^{\circ}$ (Case5). The remarkable point is that the ratio of Nusselt number augmentation has the positive value for the surface shapes which have over $45^{\circ}$ of the riblet angle. The maximum Volume and Area goodness factor are obtained when the riblet angle is $60^{\circ}$ (Case5).

• 한국해양학회지
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• 제25권2호
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• pp.62-73
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• 1990

장방형 단면의 개수로를 사용하여 정상 염수쇄기가 존재하는 흐름 장의 유동특성 을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 염수쇄기는 전체적으로 매우 안정하여 목시 관측이 용이하였으나, 유속의 측정과 계면파의 관측에는 가시화수법을 이용하였다. 연 직방향의 밀도변화로부터 정의되는 밀도계면은 목시관측에 의한 계면의 대략 0.5 cm정 도 아래에 존재하였으며, 밀도분포는 Hlomboe 모델을 잘 만족하였다. 계면층은 난류강 도 (turbulent intensity)가 매우 극심한 영역으로서 그 두께는 총평균 Richardson수 가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며 상층의 약 16% 정도의 크기를 가졌다. 수 로의 횡단면상의 유속분포는 수로측변에 의한 마찰의 영향을 잘 반영하였고, 상층내에 서는 Reyonolds수가 커질수록 연직방향의 유속분포의 균질성이 증가하는 반면 하층은 대체로 방물형(parabolic type)에 가까운 분포를 보였다. 염수쇄기를 쇄기장(L/SUB o/)에 따라 하구부(x/L/SUB o/< 0.3,단 x는 하구로부터의 거리), 중앙부(0.3 0.7) 의 세 구간으로 나누어 생각하는 경우, 연행계수는 중앙부에서 작고 하구부와 선단부에서 크게 나타났다. 또한 하구부나 중앙부는 계면이 대체로 안정하여 내부표면장력파가 팔생하거나 전파하는 반면, 선단부는 매우 불안정 하여 cusping ripple 또는 bursting ripple과 같은 계면파가 발생하였다. 염수쇄기의 형상은 거의 진선적으로, densimetric Froude 수와 Reynolds 수와는 독립이었다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제57권8호
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• pp.493-507
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• 2024

RANS 기반의 CFD 해석은 계산 효율성이 높아 실무 수리해석을 포함한 다양한 공학 분야에서 널리 적용되고 있으나 자유수면과 같이 이상유체흐름 해석에서 비물리적인 거동이 나타나는 문제가 오랫동안 제기되어 왔다. 일반적인 RANS 기반의 해석에서 적용되는 2 방정식 난류 모형은 단상유체를 대상으로 개발되어 유체 밀도의 급격한 변화가 발생하는 이상유체에서는 경계면에서 실제와 다른 높은 난류 에너지 생성을 모의한다. 최근 이를 해결하기 위해 개발된 방법 중의 하나인 부력 수정 난류 모형은 해안 분야에 적용되어 일부 적합성이 검증되었으나 개수로 흐름에 적용된 사례는 없다. 본 연구에서는 오픈 소스 프로그램인 OpenFoam의 VOF 기법을 기반으로 부력 수정 난류 모형의 적용성을 평가하였다. 등류 흐름 적용 결과에 의하면 부력 수정 k-𝜖 모형과 부력 수정 k-ω SST 모형이 자유수면 부근에서의 난류 에너지 저감 현상을 잘 모의함을 확인하였으며, 특히 부력 수정 k-ω SST 모형은 연직 유속 분포를 잘 모의함을 확인하였다. 또한 댐 붕괴 흐름에 적용하여 수면형의 변동이 크고 공동이 형성되는 경우에 대해 검토하였다. 모의 결과 부력 수정 난류 모형은 VOF 기법에 따라 상이한 결과를 나타내며 실험결과와 다른 비물리적인 거동을 나타내었다. 부력 수정 난류 모형이 수면이 안정적인 형태인 경우에는 적용성이 있으나 자유 수면의 급격한 변화가 발생하는 경우에 범용적으로 적용하기에는 여전히 한계가 있는 것으로 나타났다. 수면형이 급격하게 변화하거나 공동이 형성되는 흐름의 경우에는 난류 모형에 대한 적절한 보정이 필요한 것으로 판단된다.

• 대한조선학회논문집
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• 제39권3호
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• pp.48-56
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• 2002

KRISO 3600 TEU 컨테이너 모형선의 반류 유동을 PIV 기법을 이용하여 측정하였다. 본 실험은 시험부의 크기가 $1.0^W{\times}1.0^H{\times}4.5^L(m)$인 회류수조에서 수행되었는데, 선박 반류의 종단면과 횡단면에서 속도장을 측정함으로써 반류의 유동특성을 해석하였다. 실험시 횡단면 측정은 반류영역인 Station -0.5767, -1, -3의 3단면에서 수행하였고, 종단면의 경우 배의 중심 평면에서 우현방향으로 Z/(B/2)=0, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6의 5단면에서 속도장을 측정하였다. 자유흐름속도는 $U_O=0.6m/s$로 고정하였는데, 수선간 길이 $L_{PP}=1.5m$에 기초한 레이놀즈수는 약 $Re=9{\times}10^5$이다. 각각의 측정 단면에서 순간속도장 400장을 구하고, 이들을 앙상블(ensemble) 평균하여 평균속도장, 난류운동 에너지 및 와도의 공간분포를 구하였다. 반류영역에는 서로 반대방향으로 회전하는 한 쌍의 longitudinal 보오텍스가 존재하며 수선 근처에 반대방향으로 회전하는 2차 와류가 발생하였다. 하류로 나아감에 따라 longitudinal 보오텍스와 2차 와류는 난류확산과 점성소산에 의하여 강도가 약화되지만 반류영역은 점차 확장된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.138-138
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• 2011

식생된 개수로에서 식생의 영향을 파악하기 위해 k-$\in$ 난류 모형을 이용하여 수치모의를 하였다. 식생의 영향을 고려하기 위해 항력항을 추가한 지배방정식을 구성하였으며, 지배방정식을 해석하기 위하여 유한체적법을 사용하였다. 수치모의에서 구한 식생된 개수로의 흐름구조를 기존의 수리실험 결과와 비교하여 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있다. 난류의 생성과 소멸을 수치모의한 결과, 부분구간 식생된 경우 식생높이 보다 낮은 구간에서는 후류에 의한 난류 생성이 지배적이며, 식생높이보다 높은 구간에서는 주로 마찰에 의한 난류 생성이 지배적임을 보였다. 기존의 연구들은 식생의 영향을 고려하여 개수로의 흐름을 연구한 예는 드물며, 현재까지 진행되어진 국내의 연구는 난류모형을 이용하여 식생된 개수로에서의 흐름 구조를 모의하였다. 따라서 난류흐름을 모의하는데 가장 보편적인 k-$\in$ 난류모형을 이용하여 식생된 개수로에서 수직방향으로의 흐름구조와 식생의 영향을 해석하는 것은 그 자체로도 의미 있는 연구이며, 앞으로의 환경수리 문제를 해결하기 위해 선행되어야 하는 연구이다. 식생된 개수로에서의 난류구조와 부유사 이동에 대한 식생의 영향을 비정상 1차원 수직모형으로 해석하였으며, 폐합문제를 위해 2-방정식인 k-$\in$ 난류모형을 사용하였다. k-$\in$ 난류모형에 식생에 의한 항력항을 더하여 지배방정식을 구성하였다. 수직방향에 대해 흐름방향 유속 u, 난류에너지 k, 그리고 난류에너지 소산율 $\in$의 분포를 구하고, 부유사에 대한 수송방정식을 풀었다. 식생된 개수로와 식생되지 않은 개수로에서의 유속분포, 난류강도, 레이놀즈 응력 분포와 난류의 생성과 소멸을 구하여 식생이 난류흐름에 미치는 영향을 분석하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제33권2호
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• pp.495-506
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• 2013

본 연구에서는 전단류 분산이 이송과 난류에 의한 확산의 결합에 의해 발생한다는 Taylor (1954)의 가정을 바탕으로 개념적 모형을 구성하고, 이를 3차원 개수로에 적용하여 오염물질의 혼합과정을 재현할 수 있는 시간분리 혼합모형(Time-split Mixing Model; TMM)을 개발하였다. 개발된 모형은 연산자 분리 기법(operator split method)과 유사하게 혼합과정을 종방향 혼합과 횡방향 혼합으로 분리하고, 유속 연직편차에 의한 농도분리과정과 난류확산에 의한 연직방향 혼합과정을 순차적으로 반복 계산함으로써 2차원 이송-분산을 재현한다. 수치모의 결과, 제안된 모형은 수로벽면에 의한 농도중첩 효과를 잘 반영하고 있으며, Taylor 구간 내에서 2차원 이송-분산 모형의 해석해와 거의 일치하고 있음을 확인하였다(Chatwin, 1970). 본 모형은 하상경사, 하폭 대 수심 비, 혼합시간 등의 변화에 따라 분산 정도를 달리 재현하고 있으며, 산정된 종분산계수는 Elder(1959)가 제안한 상수값과는 달리 혼합시간에 따라 변화하는 양상을 나타냈다. 횡분산계수의 경우, Sayre와 Chang(1968), Fischer 등(1979)이 실험을 통해 제시한 값과 유사한 범위를 나타냈다.

• 대한토목학회논문집
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• 제34권1호
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• pp.107-116
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• 2014

본 연구는 조도보정 블록수로에서의 체적밀집도를 정의하고, 평균유속(V)과 수리반경(R)의 곱인 VR, 블록 Reynolds수($Re^*$), 항력계수($\acute{C}_D$) 및 바닥전단특성의 바닥조도계수($n_b$)를 분석하여 조도계수(n)를 산정하였다. VR과 블록Reynolds수가 증가함에 따라 조도계수가 감소하여 일정함에 수렴하는 경험적인 양상을 확인하였다. 블록Reynolds수의 증가에 따라 항력계수는 감소하여 일정한 값에 수렴하는 것으로 나타났다. 블록Reynolds수가 큰 난류구간에서는 항력계수는 밀집도로 정의한 조도블록의 형상에 지배적임을 볼 수 있다. 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 상관식의 개발이 요구된다. n-VR, $\acute{C}_D-Re^*$, $n_b-\acute{C}_D$상관에 대한 관계곡선식을 제시하였다. 조도계수를 산정할 수 있는 블록Reynolds수와 체적밀집도와의 상관관계식을 제시하였다. 실험결과를 토대로 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 조도 계수 산정식을 이용한 HEC-RAS의 수리특성 분석결과는 실험결과와 잘 일치함을 보여주어 산정한 조도계수 추정식의 적용성을 확인하였다.