논문 상세보기
pp.91-99
대기의 밀도 성층화는 대기 과학적 측면에서 다양한 현상을 유발하는 인자로 인식되어 오고 있다. 대기의 밀도 성층화와 지형의 상호 작용에 의한 현상은 비단 대기 과학적인 관심일 뿐 만 아니라 산악주위를 비행하는 항공기의 갑작스런 부침에도 영향을 미치며 간접적으로는 대기의 온도 역전현상으로 인해 도시 지역에 발생하는 대기 오염물질의 갈색 구름 (brown cloud)의 형성에도 영향을 미친다. 이와 같이 밀도 성층화는 건축, 토목, 환경, 해양, 기계와 관련된 유동에서 매우 중요한 역할을 하는 유동유발 인자이다. 하지만 밀도 성층이 관련된 유동의 해석은 국내에서는 극히 미미한 실정이고 외국에서는 실험을 중심으로 비교적 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 3차원 지형 주위의 밀도 성층 유동 현상을 이해하기 위하여 전산 유체역학을 통한 해석을 수행하였다. 수치 기법으로 가상 경계법을 사용하여 반구(hemisphere)와 3차원 축대칭 언덕(Gaussian hill) 주위 성층유동에 대한 해석을 수행하여 Re 및 Fr 와 장애물의 형상 변화가 유동장에 주는 영향에 대해 중점을 두었다. 한 개의 장애물뿐 만 아니라 2개의 언덕이 주유동 방향으로 배열되어 있을 때 그 거리에 따른 상호작용이 연구되었으며 층류 영역에서 연구가 진행되었다. 연구 결과 Fr<0.4일 때 장애물 후류에서 와흘림이 발생하며 성층이 강해질수록 Re의 효과는 약해지고 와흘림의 성격은 일률화 된다. 특히 Fr=0.2일 때 St의 값이 형상에 조차 의존하지 않고 약 0.19로 수렴하는 결과를 낳았다. 상부로 갈수록 수평단면적이 급격히 감소하는 3차원 언덕의 형상적 특징은 Re를 감소시키는 효과를 발생시킨다. 이런 효과는 비성층 유동에서 잘 나타나고 있으며 같은 Re 임에도 불구하고 3차원 언덕 주위의 유동 현상과 반구 주위의 유동현상이 서로 같지 않은 것을 알 수 있다. 뿐만 아니라 3차원 언덕의 형상적 특징은 강성층에서 높이에 따른 와구조의 위상 변화를 유발한다. 반구의 경우 장애물의 상하부에서 거의 동시에 와류가 활성화되는 반면 3차원 언덕의 경우에는 언덕의 하부보다 상부에서 먼저 와류가 형성됨을 확인하였다.
Density stratification is well known for variety of related phenomena in the atmospheric science. Interaction between density stratification and topographical terrain is of interest not only in the atmospheric science but also in aerodynamics of airplane and air pollution in urban area. However, the flow field in the density stratified fluid is mainly studied experimentally while analytic or numerical approaches are very rare. In this study, computational fluid dynamcis is utilized to understand the flow field in the density stratified fluid around 3 dimensional topography. As the numerical method, an immersed boundary method is employed to discretize the domain around hemisphere as well as Gaussian hill. The computations are performed for various Re and Fr as well as shape of the hill. Two hills in tandem are also modeled to analyse the effects of distance between them. The results show that vortex shedding behind the obstacle occurs at Fr<0.4 and the effects of Re diminishes while shedding is unified as the stratification is stronger. At Fr=0.2, the shedding frequency is nearly independent of the shape of the obstacles and converged to 0.19. It is also found that the vortex shedding occurs over all of lee ward face of hemisphere while it forms first on the upper part if lee ward face of 3 dimensional hill.
요 약
I. 서 론
II. 전산 해석 기법
2.1 가상 경계법 기반의 지배 방정식
2.2 계산영역과 경계 조건
III. 결과 및 고찰
3.1 정성적 유동 구조
3.2 밀도 성층에 따른 유동 구조의 변화
3.3 장애물의 형상 차이에 의한 영향
3.4 유선 분기점 높이(the dividing-streamlineheight)
3.5 항력계수 및 와흘림 진동수
IV. 결 론
참고문헌
