후향 계단(backward-facing step)에서 계단 높이로 무차원화한 레이놀즈수 5100의 난류 경계층 유동을 주었을 때, 전단자유조건(shear-free condition, SFC)을 이용하여 난류 박리수포를 제어하고 혼합을 증진하는 연구를 수행하였다. 정밀한 해석을 위해 직접수치모사 기법(direct numerical simulation, DNS)을 적용하였다. 전단자유조건은 후향 계단의 상류에 설치하였고, 변수는 폭 방향 양 끝에 위치한 전단자유조건 사이의 거리를 고려하였다. 혼합증진은 후향 계단의 유동 구조 중 박리-재부착 유동 구조를 통해 간접적으로 측정하였다. 제어 결과, 재부착지점이 제어하지 않은 경우보다 약 5.4% 감소하였다. 이 경우, 전단자유조건의 미끄러짐 속도로 인해 박리 이후의 주 유동 방향의 평균 속도와 난류섭동이 증가하였다. 또한, 가장 최적화된 전단자유조건 간격일 때, 폭 방향에 대한 압력계수의 변화폭이 가장 크게 유지되는 것을 확인하였다. 이러한 특징은 후향 계단에서 혼합증진의 메커니즘과 동일하며, 이로부터 전단자유조건으로 후향 계단에서 혼합을 증진시켰다 판단하였다.
Alternative Abstract
In this study, direct numerical simulation is performed to investigate mixing enhancement behind a backward-facing step using shear-free condition (SFC). The Reynolds number is 5100 based on the free-stream velocity and step height h. SFC is installed at the upstream of backward-facing step. A parametric study is performed to find the optimal spanwise width λ of the SFC. As a result, at the optimal width of SFC of λopt = 3.5h, the reattachment length is reduced by 5.4% compared to that of uncontrolled flow. It is found that the mean streamwise velocity and its fluctuations increase after the separation by the control. Also, at the optimal width of SFC, the spanwise inhomogeneity of the pressure coefficient is the most prominent. Theses flow characteristics owing to SFC are favorable to mixing enhancement behind the backward-facing step.
