(A) numerical study of two-way interaction between particles and turbulence
저자
발행사항
[Seoul] : Graduate School, Yonsei University, 2019
학위논문사항
학위논문(박사) -- Graduate School, Yonsei University Department of Computational Science and Engineering 2019.8
발행연도
2019
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
수치해석을 이용한 입자와 난류 사이의 상호작용에 대한 연구
형태사항
xv, 115 p. : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Changhoon Lee
UCI식별코드
I804:11046-000000521711
소장기관
본 연구에서는 채널 난류 유동의 직접 수치 모사와 라그란지안 입자 추적 기법을 이용하여 크기가 작고, 무거운 입자와 벽 근처 난류 사이의 상호 작용에 대하여 조사하였다. 먼저, 중력의 효과를 고려하지 않은 상황에서 입자의 관성의 크기, 즉 스토크스 수가 난류 변화에 미치는 효과에 대하여 조사하였다. 넓은 범위의 스토크스 수에 대하여 입자--난류 상호작용을 관찰하기 위하여 벽 단위 스토크스 수 $St^+=0.5$, 5, 35 그리고 125를 고려하였으며, 이 스토크스 수 범위에서 벽 근처 난류의 변화는 비단조적임을 보였다. 스토크스 수가 $St^+=0.5$일 때, 난류 와 구조의 발생이 매우 증가하였으며, 주 유동 방향 유체 속도 섭동과 관련된 벽 근처 난류의 스케일은 더 작아졌다. 그 결과, 유동의 난류 강도와 레이놀즈 전단 응력은 약간 증가한 반면, 유동의 와 성분 섭동은 크게 증가하였다. 한편, 난류 세기 및 벽 근처 난류 구조들은 큰 스토크스 수 ($St^+=5$, 35 그리고 125)를 가진 입자들에 의해 약화되었다. 모든 스토크스 수 범위에서 벽-수직 및 횡 방향으로 입자들은 난류 와 구조의 회전 움직임을 약화시키는 역할을 하였지만, 입자와 유체의 주 유동 방향 상호작용은 입자 스토크스 수에 따라 다른 양상을 보임을 밝혔다. 즉, 벽 근처 와 구조의 생성에 근본적인 역할을 한다고 알려진 낮은 유체 속도 성분의 띠 구조에서 입자와 유체 사이의 국지적 주 유동 방향 에너지 전달은 가장 작은 스토크스 수와 이보다 큰 스토크스 수들 사이에서 반대 방향으로 발생함을 보였다. $St^+=0.5$의 입자들은 낮은 속도의 유체 띠 구조에서 유체의 속도 섭동 방향으로 기계적 에너지를 전달하는 반면, 더 큰 스토크스 수를 가진 입자들은 turbophoresis 현상에 의해 벽에서 멀리 떨어진 영역에서 벽 근처 영역으로 이동함으로써 유체의 속도 섭동 성분의 반대방향으로 모멘텀을 전달하였다. 이러한 turbophoresis 현상은 입자의 스토크스 수가 $St^+=35$일 때 가장 뚜렷이 나타났다. 반면에, 원심 효과에 의한 입자들의 preferential concentration 현상은 $St^+=5$의 입자에 의해 가장 뚜렷이 발생하였는데, 이 경우 입자--난류 주 유동 방향 상호작용은 오히려 $St^+=0.5$의 경우와 비슷하였다. 따라서, 입자에 의한 가장 강한 난류 감소는 $St^+=35$ 일 경우 관찰된다.
다음으로, 입자의 중력 침강이 벽 근처 난류에 미치는 효과에 대하여 조사하기 위해 \citet{Gerashchenko08}의 실험 조건을 이용하여 벽 단위로 정규화한 중력 가속도 $g^+=0.077$에 대하여 수치 모사를 수행하였다. 벽면 수직 방향으로 중력 침강하는 입자들과 난류 구조들의 직접적인 상호작용을 관찰하기 위하여, 바닥 벽과 몇 차례 충돌 후 가라앉은 입자들은 제거 하였으며, 동시에 윗 벽 근처에서 새로운 입자들의 중력 침강을 고려하였다. 시뮬레이션 결과, 콜모고로브 시간 스케일에 근거한 입자 스토크스 수가 $St_K\approx1$ 일 경우, 소위 일컫는 preferential sweeping 현상이 주 유동 방향 난류 와 구조와 연관되어 발생하였으며, $St_K>1$의 입자들에 대해서는 crossing-trajectory 효과가 뚜렷이 관찰되었다. 특히, preferential sweeping 과정에서 중력 침강 하는 입자들이 빠른 주 유동 속도를 가지는 유체 성분의 영역에서 무리지어 바닥에 가라앉는 현상이 관찰되었다. 결과적으로 $St_K\approx1$ 그리고 $St_K>1$, 어느 경우든 입자들은 낮은 속도의 유체 띠 구조에서 강한 축적 현상을 보이지 않은 채 바닥에 가라앉았으며, 이는 중력이 고려되지 않은 상황과는 확연히 다른 양상이다. 이는 또한 중력 침강하는 입자들은 더 이상 주 유동 방향의 난류 세기 증가에 기여하지 못함을 의미한다. 입자들이 윗 벽으로부터 멀어지는 방향으로 중력 침강할 때, 윗 벽 근처의 낮은 속도의 유체가 입자에 의해 중력 방향으로 끌어당겨짐에 따라 더 많은 난류 와 구조들이 생성되었으며, 특히 빠른 속도로 중력 침강하는 입자들은 주 유동 방향을 축으로 회전하는 매우 큰 스케일의 와 구조를 생성하였다. 이와 반대로, 바닥 벽을 향하여 중력 침강하는 입자들은 난류의 세기를 크게 감소시켰다. 본 연구는 \citet{Lee15,Lee19}에 근거하여 작성되었다.
The interaction between small, heavy particles and near-wall turbulence is investigated by means of direct numerical simulation (DNS) of turbulent channel flow, along with a Lagrangian point-particle tracking technique.
In the first part of this dissertation, the effect of Stokes number on turbulence modification is examined in detail/extensively.
Particle Stokes numbers of ${St^+=0.5}$, 5, 35 and 125 in wall units are considered without the effect of gravity, and it is shown that modification of near-wall turbulence is not monotonic in this Stokes number range.
When ${St^+=0.5}$, the occurrence of near-wall vortical structures is increased and near-wall turbulent scales associated with the streamwise fluctuating motion of the fluid become smaller.
As a result, the fluid vorticity fluctuations are significantly augmented while the fluid velocity fluctuations are slightly enhanced near the wall.
On the other hand, near-wall turbulence is attenuated by particles with the larger Stokes numbers (${St^+=5}$, 35 and 125).
It is found that particles act to attenuate the rotational motion of local vortical structures in the wall-normal and spanwise directions for all the Stokes numbers considered, but their streamwise interaction with the fluid is different depending on the Stokes number.
Particles with ${St^+=0.5}$ transfer their streamwise mechanical energy to the fluid in a low-speed streak, which is regarded as a fundamental element for the creation of near-wall streamwise vortical structures.
However, particles suppress the streamwise fluctuating motion of the fluid in low-speed streaks when they migrate from the outer region into the streaks due to turbophoresis.
This turbophoretic drift is maximized for ${St^+=35}$.
On the other hand, preferential concentration of particles due to the centrifuge effect is most pronounced when ${St^+=5}$, but their streamwise interaction is similar to the case of ${St^+=0.5}$.
Therefore, particles with ${St^+=35}$ suppress near-wall turbulence most efficiently.
Motivated by the experimental study of \citet{Gerashchenko08}, in the second part of the dissertation, the effect of gravitational settling on near-wall turbulence is investigated in a more realistic situation, in which ${g^+=0.077}$ based on the flow condition in the experiment.
In the simulation, deposited particles are removed after several collisions with the lower wall and then new particles are released near the upper wall to observe direct interactions between particles and coherent structures of near-wall turbulence during the gravitational settling through the mean shear.
The results indicate that when the Stokes number is approximately 1 on the basis of the Kolmogorov time scale of the flow (${St_K\approx 1}$), the so-called preferential sweeping occurs in association with coherent streamwise vortices, while the effect of crossing trajectories becomes significant for ${St_K>1}$.
Interestingly, clusters of settling particles are found in the high-speed (downward) fluid regions near the bottom of the channel in the process of preferential sweeping.
Consequently, in either case, the settling particles deposit on the wall without strong accumulation in low-speed streaks in the viscous sublayer, differently than non-sedimenting particles, indicating the significance of considering the effect of wall-normal gravity.
This also indicates that they are no longer able to increase the strength of the low-speed streaks, and hence no enhancement of the r.m.s. streamwise fluid velocity fluctuations is observed in the presence of wall-normal gravity, in contrast with the case of non-sedimenting particles.
When particles settle through near-wall turbulence from the upper wall, more vortical structures are generated in the outer layer as low-speed fluid is pulled farther in the direction of gravity.
In particular, a large-scale streamwise roll cell appears during the gravitational settling of particles with a large Stokes terminal fall velocity away from the wall.
However, turbulence is significantly attenuated by settling particles near the lower wall.
This dissertation was written based on \citet{Lee15,Lee19}.
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