PIV 기법을 이용한 원형 실린더 주위 유동 특성 연구

Abstract

본 연구에서는 레이놀즈 수 (Reynolds number) 변화(10^5 < Re < 10^6)에 따른 원형 실린더 주위 유동장을 PIV 기법을 통해 계측하고 유동 특성을 분석하였다. 원형 실린더는 해양구조물을 구성하는 기본 형상이기 때문에 실린더 주위 유동 특성의 이해는 해양구조물의 유체동역학적 성능 평가와 개선에 매우 중요하다. 또한 원형 실린더의 유동 특성은 레이놀즈 수에 따라 달라지기 때문에, 실린더에 작용하는 하중과 유동장을 해석할 때 레이놀즈 수를 고려한 접근이 필요하다. 해양의 바람과 조류 조건에서 해양구조물 주위 유동의 레이놀즈 수는 10^8~10^9 이지만, 현재까지 그보다 낮은 레이놀즈 수인 아임계 영역의 유동 특성 규명이 주를 이루고 있다. 반면에 실선 스케일 유동 조건과 근접한 임계 및 초임계 영역에서의 유동 특성에 관한 연구 결과는 매우 적어, 상기 영역에서 PIV 기법을 활용한 연구는 대단히 의미 있다고 판단된다. PIV 계측 결과에 의하면 레이놀즈 수 변화에 따라 아임계와 임계/초임계 영역에서의 유동 특성은 확연히 구분된다. 특히, 실린더 표면에서 발달하는 층류 경계층이 난류로 천이 됨에 따라 유동 박리 지연과 함께 후류의 수축 및 난류 운동에너지의 감소가 관찰되었다. 이는 기존 선행연구들에서 보고된 급격한 실린더 저항 감소에 대한 설명을 가능하게 해주고 난류로의 천이, 박리 지연 그리고 후류의 물리적 상호작용을 이해하는데 많은 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 이외에도 실린더 주위 난류 유동 특성의 체계적인 분석을 위해 다양한 시간 평균 물리량들을(유선, 와도장 그리고 레이놀즈 응력 분포 등) 분석하였으며 추후 CFD 검증 자료로써 그 활용 가치가 높을 것으로 기대된다.