재순환유동 전산해석을 위한 RANS 난류모델의 영향성 분석 :Study on the Effect of the RANS Turbulence Model for the Numerical Analysis of Recirculating Flow

이영모

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이영모 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 김철완

발행연도: 2016

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이용수16

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

재순환유동 예측을 위한 k-ɛ 난류모델 개선에 대한 연구

이영모 , 김철완 한국전산유체공학회지 2016.06 학술저널

재순환유동 전산해석을 위한 RANS 난류모델의 영향성 분석

이영모 대학교 2016.01 학위논문

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재순환유동은 자동차, 고속철도, 로켓 등 다양한 곳에서 나타나게 된다. 재순환유동에서 발생하는 낮은 압력과 자유류와의 압력차로 인해 압력저항이 발생하게 되고, 이러한 압력저항(기저저항)은 전체 저항에 많은 비중을 차지하는 것으로 알려져 있다. 하지만 재순환유동의 경우 난류유동의 재부착 및 재발달 유동 등 복잡한 유동을 동반함에 따라 국내외적으로 많은 연구가 진행되었음에도 불구하고 아직도 정확히 예측하는데 많은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 높은 효율성을 나타내는 standard k-ε, realizable k-ε 모델의 상수를 수정함으로써 재순환유동에 대한 예측성능을 개선하였다. 여기서 standard k-ε, realizable k-ε 모델은 Boussinesq 가정을 기반으로 개발된 모델이기 때문에 유동의 회전변형률과 유선의 곡률효과를 잘 반영하지 못한다. 따라서 standard k-ε, realizable k-ε 모델에 곡률수정모델을 적용하여 재순환유동의 예측성능을 개선하고자 하였다. 또한 세 가지 후향계단유동 해석결과를 바탕으로 모델상수를 설계변수로 설정하고 재부착길이를 목적함수로 설정 후, 실험계획법(design of experiments)을 수행하여 모델상수와 재순환유동과의 관계를 확인하였다.
재순환유동의 대표 예인 기저유동에 대한 전산해석을 수행하였다. 로켓을 지나는 아음속 유동에 대해 전산해석을 수행하였으며, 미소 받음각을 갖는 로켓에서 나타나는 기저유동 예측성능을 평가하였다. 초음속 유동장 내에서는 후부동체에 대해서 SST 모델을 활용하여 전산해석을 수행하였으며, 초음속 유동장 내에서 압축성 보정효과가 기저유동 예측에 미치는 영향 및 후부동체 모서리 곡률에 따른 기저유동 변화를 확인하였다. 또한 후향계단유동과 기저유동 계산을 통해 RANS 2-equation 모델과 레이놀즈 응력모델의 재순환유동 예측성능을 평가하였다.

Recirculating flow appears from a variety of sources, such as automobiles, rail, rocket. The pressure drag is generated due to the difference between the base pressure and the pressure in the freestream and It is known to occupy a large proportion in the total drag. However, even though a lot of research progress domestically and internationally, there are still many difficulties in accurately forecasting due to the recirculating flow as the associated complex flow such as reattach and redevelopment of turbulent flow. Therefore, it improves the predictive performance of the standard k-ε and the realizable k-ε models with high efficiency and accuracy by modifying the constants of the turbulence models in this study. but the standard k-ε and the realizable k-ε models are not reflect the rotation of the flow and the curvature effect because they are developed based on the Boussinesq assumption. Thus, by applying curvature correction model to the standard k-ε, the realizable k-ε model are to improve the forecasting performance of the recirculating flow. In addition, we set the model constants as design variables based on three backward facing step flow analysis and we confirm the relationship between the model constants and the recirculating flow by applying the DOE(design of experiments) method.
Numerical analysis is carried out for the base flow, representing the recirculating flow. First, the computational analysis is performed on a subsonic flow past the rocket with support and we assess the prediction performance of base flow with a small freestream angle. In the supersonic flow, the computational analysis are carried out about the flow over the afterbodies using the SST model. It confirm the base flow changes in compressibility correction and curvature of the afterbodies edge in the supersonic flow from the analysis results. In addition, the RANS 2-equation and Reynolds stress models are assessed the prediction performance of a recirculating flow through the backward facing step flow and the base flow analysis results and the prediction performance of standrad , realizable k-ε are improved by applying the model constants appropriate for the recirculating flow prediction.

#전산유체역학 #난류모델 #재순환유동 #유동예측

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구배경 1
2. 연구목적 4
3. 논문구성 5
Ⅱ. 선행 연구 6
1. 재순환유동의 수치해석 6
1.1. 후향계단유동 6
1.1.1. 형상 및 수치해석조건 6
1.1.2. 격자 및 경계조건 6
1.1.3. 수치해석 검증 7
1.2. 축대칭 기저유동 9
1.2.1. 형상 및 수치해석조건 9
1.2.2. 격자 및 경계조건 10
1.2.3. 수치해석 검증 10
2. 재순환유동에 영향을 미치는 인자 12
2.1. 경계층 두께 12
2.2. 난류강도 18
3. 지배방정식 및 난류모델 25
4. 수치해석 결과 31
4.1. 후향계단유동 31
4.2. 기저유동 35
Ⅲ. 재순환유동 예측성능 개선 38
1. 연구배경 38
2. 형상 및 수치해석 방법 40
3. 모델상수 선정 42
4. 수치해석 결과 49
5. 곡률수정 모델 56
6. 평판유동에서의 모델상수 수정효과 60
Ⅳ. 아음속 기저유동에 대한 난류모델 민감도 분석 63
1. 연구배경 63
2. 형상 및 수치해석 방법 63
3. 수치해석 결과 66
Ⅴ. 초음속 기저유동 예측 74
1. 연구배경 74
2. 형상 및 수치해석 방법 75
3. 수치해석 결과 80
Ⅵ. 결 론 87
참고문헌 89

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