The production of turbulence near a wall is the governing mechanism of the turbulent drag from external flow around bodies and in internal flows involving turbulence. The pocket is closely associated with the occurrence of the large Reynolds stress producing motions, and therefore implicitly involved with the turbulence production process. Within the wall region, hot-wire measurements show that a strong vortex forms within the pockets. This vortex is the rearrangement of existing sublayer vorticity and its amplification. The work in this area has been applied to the prediction and reduction of drag. The study is focused on the time scale of the pockets. The relationship between pocket time scale and modified wall has been found. By changing the upstream boundary condition at the wall the time scale of pockets were increased.

The flow-surface interaction and resulting pockets is the case of a turbulence boundary layer. Conditionally sampled hot-wire measurements within the wall region show that a strong vortex forms within the pocket, bordering the upstream portion, which stay in the wall region. This vortex is the result of the rearrangement of existing sublayer vorticity and its amplification. The work in this area has been applied to the prediction and reduction of drag. The study is focused on determining change in the length scale of the pockets. An important relationship between pocket and modified wall has been found. By changing the upstream boundary condition at the wall, the length scale of pockets were decreased.

층류 경계층 내 반구에 의해 유기되는 말굽와류를 흡입 제어했을 때 후류영역에서의 마찰저항 변화를 측정하였다. 이를 위해 회류수조에서 유동가시화를 실시하여 최적의 자유유속, 반구 크기 및 흡입제어 구멍 크기를 결정하였고, 반구 후류영역에 설치된 평판과 연결된 동력계로 표면 마찰저항 감소를 측정하는 실험을 수행하였다. 평판에 설치된 반구 전방에는 유입 유동에 의해 반구를 감싸는 말굽와류가 생성되며 그 주위 와도 방향에 의해 후류영역으로는 빠른 유속의 유동이 유입되어 머리핀 와류 생성을 촉진시킨다. 따라서 반구 전방에 생성되는 말굽와류 세기를 흡입 제어에 의해 약화시킴으로써 반구 좌우측으로 길게 형성된 유속방향 와류가 후류영역으로 공급하는 에너지는 감소하게 된다. 즉, 반구 전방의 말굽와류를 제어함으로써 후류영역으로부터 생성되는 헤어핀 와류 발생 주파수가 줄어 들게 된다. 염료 주입을 이용한 유동 가시화 영상을 해석한 결과로 머리핀 와류의 발생 빈도가 흡입제어에 의해 36.4 % 감소되었고, 후류 영역에서 측정된 표면 마찰저항은 2.3 % 감소되는 것으로 나타났다.

An elliptic blending Reynolds stress transport equation model for Newtonian fluids has been extended to predict polymer-induced drag reduction FENE-P fluids. The conformation tensor equation which is related to the polymer stress is adopted from the model form of Resende et al., and the models of redistribution and dissipation rate terms for the Reynolds stress transport equation are considered by the elliptic blending equation. Also, the new model terms for viscoelastic turbulent transport and viscoelastic dissipation in the Reynolds stress transport equation are introduced to consider the polymer additives effect. The prediction results are directly compared to the DNS data to assess the performance of the present model predictions.

저자는 기존의 연구에서 대용량-비선형성을 가지는 유체의 최적화를 수행하기 위해 몇 가지 강력한 방법들을 제시한 바 있다. 즉, 최적화 과정에서 수렴성을 높이기 위해 step by step기법을 사용하였고, 또한 수렴속도를 높이기 위하여 최적화이터레이션 과정에서 얻어지는 민감도정보를 이용하여 시스템 평형방정식의 해석을 위한 좋은 초기치를 제공하는 방법과, 평형방정식을 구속조건으로 사용하는 동시기법(simultaneous technique)에서 착안하여 해석과 최적화 수렴 판정치를 조작하는 방법을 제시한 바 있다. 그러나 그들 기법은 기본적으로 유사뉴턴법에 기본을 두고 있다. 현재까지 최적화에서 SQP기법을 사용할 때는 정확한 헤시안 매트릭스의 유도가 매우 까다롭고 힘들기 때문에 유사뉴턴법을 사용하고 있는 실정이다. 그러나 3차원 문제와 같이 더욱 큰 용량의 문제를 위해서는 진정한 의미에서의 뉴턴법, 트루 뉴턴법(true Newton method)을 사용할 필요가 있다. 본 연구에서는 트루 뉴턴법을 사용하기 위해 헤시안 매트릭스의 정확치를 얻는 과정을 유도하고 이를 기본으로 트루 뉴턴법을 이용한 최적화 루틴을 만들었다. 그리고 이를 3차원 문제에 적용하여 그 효과를 검증하였다.

본 연구의 최종 목적은 유체가 빠른 속도로 가해지는 물체의 경계면에서 흡입(suction) 혹은 방출(injection)을 통해 유체를 제어함으로 드래그(drag)를 감소하고자 하는 것이다. 그러나 유체는 대용량, 비선형성을 가지고 있어서 직접적인 해석은 물론, 최적화를 적용한다는 것은 매우 어려운 일이다. 이를 위해 우리는 새로운 알고리즘과 기법들을 개발하였다. 본 연구에서는 이 기법들에 대한 검증을 하고, 나아가 최적화 기법을 사용하여 드래그를 감소하기 위해 흡입량과 방출량을 구하였다. 그리고 이 흡입과 방출을 가할 수 있는 구멍의 수와 위치에 따른 변화를 알아보았다. 본 연구에서 개발된 알고리즘과 기법들을 사용하였을 경우, 기존에는 해결 할 수도 없었던 문제를 가능하게 만들었으며, 기존에 저자가 1차로 개발한 바 있는 방법에 비해서도 더욱 효과적이라는 것을 입증하였다. 그리고 드래그 감소라는 차원에서 본다면 흡입과 방출을 가할 수 있는 구멍의 숫자가 많을수록 효과가 높으나 그다지 많은 수를 필요로 하지 않는다는 것을 알게 되었으며, 구멍의 위치는 유체의 경계층이 분리되는 약간 아래가 가장 최적의 위치라는 것을 알게 되었다.

바람에 저항하는 초고층 건물, 비행기나 자동차, 물에 저항하는 선박 등은 동일한 거동을 보여준다. 즉, 유속이 빨라 질경우, 건물 혹은 비행기, 자동차, 선박 뒤편에는 마이너스 압력과 와류가 발생하게 되는데 이로 인해 건물에서는 변위가 크게 발생하게 되고, 비행기나 자동차, 선박 등에서는 속력이 저하된다. 본 연구에서는 흡입과 방출이라는 기법을 이용하여 유체의 흐름을 우리가 원하는대로 적극적으로 제어하고자 한다. 그렇게 할 수만 있다면 초고층 건물에서의 변위를 대폭 줄일 수 있을 것이고, 자동차나 비행기 선박 등은 더 빠른 속도로 달릴 수 있을 것이다. 그렇다면 문제는 유체를 제어하기 위한 최적의 흡입 혹은 방출량을 구하는 것이고, 이 최적의 양들을 어떤 방법으로 구하는 것이냐 하는 것이다. 본 연구는 최적화 기법을 사용하여 Navier-Stokes 유체를 받는 물체의 표면에서 최적의 흡입, 그리고 방출량을 결정하려는 시도에서 출발하였다. 그러나 이 문제는 큰 Reynols Number 상태에서는 높은 비선형성으로 인하여 직접 한번에 Navier-Stokes 유체의 해석조차 불가능하였고, 더군다나 너무나 많은 변수로 인하여 기존의 방법으로는 최적화는 도저히 불가능 하였다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위한 최적화 알고리즘을 제안하고, 또한 수렴속도도 대폭 증가시키기 위한 매우 효율적인 몇 가지 방법들을 제안하였다.

본 연구에서는 회전 원판 장치에 고분자-계면활성제의 혼합체를 첨가제로 사용하여 난류 유동장에서의 마찰저항 감소효과에 대해서 조사 연구하였다. 세가지의 분자량이 다른 PAA를 마찰저항 감소효과에 영향을 줄 수 있는 여러 인자들에 대헤서 살펴 보았다. 특히 이 연구에서는 이온성 고분자와 계면활성제의복합체가 마찰저항 감소현상에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해서 연구하였다. 계면활성제와 고분자첨가제 사이의 형태학적 차이점에 특별한 관심을 가지고 실험을 하였으며 이온성 고분자의 pH에 대한 영향에 대해서도 조사하였다. 고분자와 계면활성제간의 복합체는 거대한 전해질과 같은 거동을 보이며 계면활성제가 고분자의 형태를 변화시켜 고분자의 크기를 확대시킨다. 따라서 이러한 복합체는 단일 고분자계와 비교해서 수력학적부피, 관성반경, 점도등의 값이 크게 나타나며 이렇게 팽창된 고분자는 난류 유동장에서의 마찰저항 감소효율을 증가시킨다.

3차원 二重 摸型이 粘性 流體中을 운동할 때 발생하는 점성 摩擦力을 感少시키기 위하여 船體 표면에 流線 방향으로 V-홈(Riblet)의 띠를 그 표면에 부착하였다고 가정하여 점성 마찰력 감소에 관하여 難流 境界層의 特性을 계산하는 수정된 방법을 구하고 그 계산을 위한 프로그램을 작성하였다. 계산 방법으로서는 Hess & Smith의 방법에 의하여 포텐시얼 유동을 계산하고 그것으로부터 구한 유속 값들을 Momentum 적분 방정식에 이용하였다. 補助 방정식으로서는 Head의 식과 점성 마찰력에 관한 Clauser의 식을 사용하였다. 그리고 Riblet의 효과로서는 Gaudet의 실험식을 이용하였다. 그 계산 결과 선체 전표면에 유선의 방향으로 Riblets를 付着하였다고 가정하였을 경우 상당한 점성 마찰력 減少效果를 나타냈으며 Riblet를 선체 전체길이 4등분하여 각각의 표면에 부착시켰을 때도 현저한 점성 마찰력 감소 효과를 나타냈으며 특히 선수 부분의 25% 표면에 부착되었을 때가 다른 영역에 부착하였다고 가정하였을 경우보다도 가장 優秀한 效果를 나타내었다.

This paper presents a new concept to reduce turbulent frictional drag by injecting micro-bubble into near the buffer layer of turbulent boundary layer on flat plate. The concentrations of micro bubble distribution in the boundary was calculater by eddy viscosity equations in the governing equations. When near region of the buffer layer of turbulent boundary layer is filled with micro-bulle of air and viscous of the region is kept low, the velocity profile in the near region should be changed substantially. Then the Reynolds stress in the region becomes less, which guide to lower velocity gradient there. It results in reduction of velocity gradient at the viscous sublayer, which gives the reduction of shear stress at the wall.

최근 고유가와 환율변동 등 어려운 시장상황 속에서 해운선사는 선박의 대형화와 고속화를 요구하고 있다. 선사들은 선박의 운용 유지비 절감을 우선적으로 요구하고 있으며, 이에 조선소에서는 기술경쟁력 유지를 위한 방안으로 속도성능 향상에 중점을 두고 지속적으로 노력 하고 있다. 본 논문에서는 에너지 절약형 선형개발에 중점을 두고 유동제어 띠를 사용한 선박의 저항성능 향상에 관하여 소개한다. 본 연구는 혹등고래(Humpback Whale)의 배 주위에 있는 기다란 줄 무늬 형상을 응용하여 선체표면에 “오목하고 길게 팬 줄 형상 또는 볼록하 고 기다란 줄 형상”(이하, 유동제어 띠라고 함)을 단일로 적용하였다. 현재, 제안된 형상은 특허출원이 되어 있다. 이 형상은 선체표면의 압력 분포 변화와 압력강하 현상 등을 효과적으로 제어하는 역할을 한다. 실선 적용 시 장점은 블록조립이 완성된 후에 선체표면에 부가물을 부착 하는 종래기술과 비교하여 볼 때 블록제작 단계에서 단면형상을 반영할 수 있다는 점에서 비용을 절약할 수 있다고 판단된다.