In this study, we perform the opposition control based on an upstream sensor to reduce the friction drag in turbulent channel flow up to Reτ = 950. The present opposition control provides blowing/suction actuation at the wall whose magnitude is proportional to a transverse sensing velocity near the wall upstream of the actuation, but with the opposite sign of the sensing velocity. We conduct direct numerical simulations of turbulent channel flow and examine the control performance in terms of the friction drag reduction according to the upstream sensor location. The opposition control using upstream sensors effectively weakens the fluctuations of the streamwise velocity and vorticity near the wall, and shows better performances in skin friction reduction than that using a sensor right above the actuation location. At the optimal upstream sensor locations, the present opposition control achieves friction drag reductions of 26.9%, 25.8%, and 24.8% for Reτ = 395, 590, and 950, respectively. An examination using the FIK-identity indicates that this decrease in friction drag reduction performance with increasing the Reynolds number is due to the reduced control performance in shear stress reduction near the wall at higher Reynolds number.|본 연구에서는 Reτ = 950까지의 난류 채널 유동에서 상류 센서 기반 반대 제어를 수행하여 마찰 저항을 저감하였다. 상류 센서를 사용한 반대 제어는 가진의 상류에 위치한 벽 근처의 수직 방향의 센싱 속도를 측정하고, 벽면에서 이 센싱 속도의 반대부호로 분사/흡입하는 방식으로 작동한다. 난류 채널 유동의 직접 수치 모사를 수행하고, 상류 센서 위치에 따른 마찰 저항 감소의 제어 성능을 평가하였다. 상류 센서를 활용한 반대 제어는 벽 근처 주유동 방향 와류와 속도의 섭동을 효과적으로 약화시켰으며, 가진 위치 바로 위의 센서를 활용하는 반대 제어보다 더 좋은 마찰 저항 저감 성능을 보였다. 최적의 상류 센서 위치에서 본 연구의 반대 제어는 Reτ = 395, 590, 950의 경우 각각 26.9%, 25.8%, 24.8%의 마찰 저항을 감소시켰다. FIK-identity를 활용한 분석 결과, 이와 같은 레이놀즈 수 증가에 따른 마찰 저항 감소 성능의 저하는 제어에 의한 벽 근처 전단 응력 저감 성능이 저하되기 때문인 것임을 밝혔다.
Alternative Abstract
본 연구에서는 Reτ = 950까지의 난류 채널 유동에서 상류 센서 기반 반대 제어를 수행하여 마찰 저항을 저감하였다. 상류 센서를 사용한 반대 제어는 가진의 상류에 위치한 벽 근처의 수직 방향의 센싱 속도를 측정하고, 벽면에서 이 센싱 속도의 반대부호로 분사/흡입하는 방식으로 작동한다. 난류 채널 유동의 직접 수치 모사를 수행하고, 상류 센서 위치에 따른 마찰 저항 감소의 제어 성능을 평가하였다. 상류 센서를 활용한 반대 제어는 벽 근처 주유동 방향 와류와 속도의 섭동을 효과적으로 약화시켰으며, 가진 위치 바로 위의 센서를 활용하는 반대 제어보다 더 좋은 마찰 저항 저감 성능을 보였다. 최적의 상류 센서 위치에서 본 연구의 반대 제어는 Reτ = 395, 590, 950의 경우 각각 26.9%, 25.8%, 24.8%의 마찰 저항을 감소시켰다. FIK-identity를 활용한 분석 결과, 이와 같은 레이놀즈 수 증가에 따른 마찰 저항 감소 성능의 저하는 제어에 의한 벽 근처 전단 응력 저감 성능이 저하되기 때문인 것임을 밝혔다.
