KR19980063904A - 경계층 난류와 벽에 인접한 유체유동장의 난류를 제어하는 방법 및 장치 - Google Patents

경계층 난류와 벽에 인접한 유체유동장의 난류를 제어하는 방법 및 장치 Download PDF

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루시엔 와이 브로니키
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Abstract

난류가 자연조건하에서 벽면에 인접한 롤쌍 또는 스트릭의 평균계를 가지고 유동방향으로 연장된 난류벽영역을 갖는 경계층 또는 벽인접 유체유동장에서 수동수단에 의하여 롤쌍을 증가시키거나 억제하여 유동장의 난류를 국소적으로 증가 또는 감소시키는 교란을 국소적으로 난류벽영역으로 도입하므로서 제어된다.

Description

경계층 난류와 벽에 인접한 유체유동장의 난류를 제어하는 방법 및 장치
본 발명은 경계층 난류와 벽에 인접한 유체유동장의 난류를 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
기술 내용이 본 발명의 종래 기술로 인용되고 있는 1993년 11월 23일자 특허된 미국특허 제 5,263,793호와 1994년 10월 11일자 특허된 미국특허 제 5,354,017호는 난류를 명백한 혼돈중에서 응집성의 활동패턴을 갖는 것으로 보고 있다. 이들 특허문헌과 이들 문헌에 언급된 공보들은 롤쌍의 시스템, 즉 롤쌍계가 유동방향으로 연장되고 경사전파구조가 롤쌍계와 상호작용하는 것이 특징인 것으로 난류를 기술하고 있다. 이들 구조는 명백하게 일정한 그룹속도로 전파되며 저항을 일으키는 롤쌍을 파열시키는 개시체로서 기술되고 있다. 전파모우드 중에서 가장 중요한 것은 이들이 유동방향으로 부터 약 65°의 각도로 전파하고 50~80°의 범위에서 이들이 전파모우드의 에너지양 대부분을 수용하는 것으로 보인다.
때때로 스트릭이라 불리는 이들 롤쌍은 서로 반대방향으로 회전하며 외측변부와 하부층의 아래에서 경계벽에 인접하여 놓은다. 이들은 이들의 역학적인 활동성에 현저한 우회유동 및 변화를 보이고 있다. 가장 중요한 것은 이들의 급격한 왜곡 또는 비틀림이며, 이로 인하여 벽에 가까운 곳으로부터 서서히 이동하는 유체가 빠르게 이동하는 유체운동의 주동체 부분으로 급격히 파열하여 들어가는 결과를 가져온다. 이러한 파열은 벽의 순저항의 결과이다. 벽의 저항의 80%에 해당하는 이들 파열은 시간의 거의 20%에서만 일어나는 것으로 추정된다. 다시 이러한 유동패턴의 연구는 롤의 왜곡이 모든 벽인접난류에 전형적인 일시적 변화를 통한 전형적인 응집패턴의 영향을 받는다.
스트릭의 크기를 특정하기 위하여, 먼저 스트릭이 벽에 인접한 유동 하부층밖의 국소조건의 현상이지 벽의 특성이나 벽으로부터 충분히 떨어져 있는 유동장의 특성에 의한 것이 아님을 인식하는 것이 필요하다. 국소조건은 벽에서는 평균마찰스트레스 s, 유체의 밀도 r, 그리고 유체의 점도 m에 의하여 충분히 특정된다. 이들양은 통상 벽의 단위로서 일컬어지고 m/(sr)°와 같은 국소크기차원, 즉 길이스케일 1★을 정의한다. 주요 롤의 직경은 통상 50-100벽단위, 즉 단위쌍당 100 1★~200 1★이다.
롤 직경에 관련하여 사용된 주요한다는 용어는 난류에너지(파동속도의)의 최대량이 이 크기의 활동모우드에 존재함을 의미한다. 부가적으로, 동일 롤형의 다른 모우드에서는 크기의 범위를 가지며 또한 충분한 양의 난류에너지를 수용한다.
상기 언급된 두 특허문헌에 따라서, 어떠한 매체내의 난류는 국소영역에서 강력하게 결합되고 롤쌍계와 전파구조의 상호작용을 증감시켜 국소적으로 유동장의 난류를 증감시키도록 경사전파구조를 수정하는 합성교란장을 형성하는데 효과적으로 별도의 두 교란을 난류성 벽영역으로 국소적으로 도입하므로서 제어된다. 교란중에서 하나는 벽에서 폭방향으로(즉, 유동방향에 대하여 횡방향으로) 배치되고 첨상부가 유동방향의 상류측으로 향하는 삼각형 돌기스트립의 어레이와 유체가 상호작용하는 것과 같은 수동수단에 의하여 일어나며, 제2의 교란은 능동기계적이거나, 전기적이고 또는 수력학적인 수단에 의하여 국소영역으로 에너지를 도입하는 것과 같이 능동수단에 의하여 일어난다.
본 발명의 목적은 수동적으로 발생되는 형태의 교란을 이용하여 난류유동을 간단히 처리하기 위한 방법과 장치를 제공하는데 있다.
본 발명에 따라서, 난류저항은 벽면에 형성되거나 그 내부에 형성된 2차원 어레이의 돌기를 이용하여 롤쌍의 생성을 억제하거나 파열시키는 교란을 수동수단으로 벽영역에 도입하므로서 벽면에 인접한 평균롤쌍 또는 스트릭의 자연계가 특징인 교란성 벽영역을 갖는 경계층 또는 다른 벽인접 유체유동장에서 감소될 수 있다. 좋기로는 어레이가 유체유동방향에 대하여 수직인 연속열로 배열된 다수의 돌기를 포함하며 연속열의 돌기들은 규칙적으로 또는 임의대로 선행열의 돌기에 대하여 교열되게 배열된다. 열의 요소들은 규칙적으로 배치되거나 이러한 열내에서 임의로 전진 또는 후퇴된 상태로 배치될 수 있다.
좋기로는 돌기가 5-15 벽단위 - 여기에서 벽단위(1★)는 상기 정의된 바와 같음-의 범위에서 유동측으로 일정한 거리로 도출되어 있고, 이들 돌기는 그 첨상부가 유동방향의 상류측을 향하는 V형으로 되어 있다. (즉, 첨상부는 유동방향을 거슬러 향하는 방향으로 향한다.) 돌기의 정점각도는 50-90°의 범위가 좋다. 돌기열에서 이들 돌기의 피치는 100-300 벽단위당 돌출부가 하나인 정도가 좋으며 유동방향에서 돌기의 피치는 200-400 벽단위당 1열의 범위가 좋다. 유동방향으로의 돌기의 크기는 150-250 벽단위의 범위가 좋다.
동일한 형태의 돌기들로 증가된 혼합효과(즉, 증가된 저항)를 얻을 수 있으나 이 경우 돌기는 교열되지 아니하고 균일한 행과 열로 배치된다.
도 1은 벽인접 유체유동을 보인 유동방향에 대한 수직단면도.
도 2는 헤링본 파동형태를 갖는 벽경계면에 인접한 스트릭 또는 롤을 보인 도 1에서 보인 유체유동장의 평면도.
도 3은 벽을 통하여서 본 파동의 단면도.
도 4는 파동의 수정형태를 보인 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 돌기를 갖는 벽의 일부를 보인 평면도.
도 6은 도 5의 6-6선 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 벽인접 난류유동장12 : 벽
13 : 유체14, 16 : 롤
54 : 2차원어레이55 : 돌기
56 : 첨상부
본 발명을 첨부 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도면에서, 부호 10은 유체의 역회전 롤(14)(16)의 형태인 국소통계구조를 갖는 유체(13)를 억제하는 벽(12)을 포함하는 벽경계난류유동장을 나타낸다. 스트릭으로 불리어지기도하는 이들 롤의 축은 도 1의 도면에 수직으로 연장되고 도 2에서 화살표(17)로 보인 바와 같은 방향인 유체유동방향에 평균적으로 놓인다. 요약컨데, 역회전 롤은 평균적으로 이들의 직경보다 매우 큰 길이 (약 1000 1★)를 갖는다. 상기 언급된 바와 같이 주요 롤크기는 거의 롤쌍당 100 1★~200 1★이다.
충분히 발전된 난류성 유동에서 이들 국소 롤구조는 인접벽영역을 통하여 하류로 이동하고, 분열되며, 왜곡되고, 끝으로 파열된다.(즉, 벽영역으로부터 방출된다. 상기 언급된 특허문헌에서 유동내에 존재하는 전파모우드의 응집구조와 롤의 응집구조 사이의 상호작용은 롤의 파열, 그리고 결과적으로 경계부근에서 느리게 이동하는 유체가 주요 유동내에서 신속히 이동하는 유체에 혼합되는 것 또는 그 반대의 현상이 이루어지는 것에 기초하고 있는 것으로 고려되었다. 이들 특허문헌은 난류성의 벽인접 유동내에서 롤-모우드의 파열에 관여하는 것으로 인정되는 파동전파모우드의 개시형태의 제어하기 위한 수동 및 능동 메카니즘을 제공하였다.
파동전파모우드를 제어하기 위하여 인용특허 문헌에서 본 발명에 따른 수동메카니즘은 난류성 유동을 수용하는 벽의 요구, 파동형 구종등과 같은 형상의 수정에 있다. 예를 들어 형상의 수정은 실제로 벽에 요구를 형성하거나 요구된 형상을 포함하는 접착제층을 벽에 도층하므로서 달성될 수 있다.
형상의 수정이 파동구조의 형태일 때에 이들의 진폭은 최대난류생성점을 포함하기 위하여 5-20 벽단위의 범위이어야 한다. 전형적인 파동의 파장 또는 피치는 난류처리의 목적에 따라서 좌우될 것이다. 파동의 방향, 즉 파동의 피이크 사이의 골의 방향은 유동방향으로부터 약 15-30°로 경사져야 한다. 즉, 파동의 전파방향의 유동방향으로부터 약 60-75°가 되어야 한다.
도 2는 롤(14)(16)의 평면도를 보인 것으로, 이들 롤에는 유동방향(17)과 각도 ±θ를 이루는 화살표(18)로 보인 방향으로 전파하는(전파모우드)파동이 중첩된다. 상기 언급된 바와 같이, 각도 θ는 주요에너지량을 갖는 파동에 대하여 50-80°의 범위에 놓인다. 전파모우드의 양방향 각도를 고려하여 파동구조는 도 2에서 보인 바와 같이 헤링본(herring bone) 패턴(200의 형태이거나 단면헷칭 또는 마디형(knur led)패턴일 수 있다.
인용된 특허문헌에 따라서, 혼합효과를 향상시키고 예를들어 열운반효과를 증가시키며(즉, 난류를 증가시키며) 이로써 파열을 촉진시키기 위하여 파동구조는 도 3에서 보인 바와 같이 정현패턴이 되어야 한다. 개시모우드와 공진토록 파장 p은 100-300 벽단위의 범위인 것이 좋으며, 진폭 a은 15-20 벽단위의 범위인 것이 좋다.
저항을 줄이기 위하여, 파동구조는 상기 언급된 위상임의 추출과 유사한 방법으로 파동에 위상간섭을 도입하는 패턴이 주어져야 한다. 이를 달성하기 위한 한가지 방법은 공진파장으로 혼돈 패턴변조를 생성하고 파장내에 속하는 불충분한 정현파의 적당한 합을 포함하는 것이다. 도 4에는 단면구성이 도시되어 있다.
본 발명에 따라서, 경계면의 난류저항은 경계벽영역에 수동수단에 의하여 롤쌍의 생성을 증가시키거나 억제하므로서 유동장내의 난류를 증감시키는 교란을 도입하므로서 제어될 수 있다. 교란이 롤쌍의 생성을 증가시킬 때에 저항이 증가되고 교란이 롤쌍의 생성을 억제할 때에 저항이 감소된다.
이러한 형태의 교란을 도입하는 우선방법으로서는 평활한 표면의 돌기 또는 요구의 패턴을 경계벽에 형성하는 것이 있다. 돌기 또는 요구의 크기와 이러한 돌기 또는 요구패턴의 특성은 롤쌍의 생성을 억제하거나 증가시킨다.
도 5에서, 부호 50은 방향이 화살표(53)로 표시되고 벽(52)의 난류벽 영역인접면(51)을 갖는 경계층 또는 벽인접 유체유동장에 롤쌍의 생성을 억제하기 위한 본 발명에 따른 장치를 보인 것이다. 그 방향은 화살표(53)로 보이고 있다. 표면(51)에는 수동수단에 의하여 롤쌍의 생성을 억제하는 교란을 벽영역으로 도입하기 위한 수단이 형성되어 있다. 이러한 수단은 표면(51)에 형성되는 돌기(55)의 2차원 어레이(54)의 형태이다. 또한 이러한 수단은 표면(51)에 형성되는 요구의 형태일 수 있다.
이러한 어레이(54)는 유동방향에 대하여 수직인 연속열로 배열된 다수의 돌기의 형태이며, 연속열의 돌기는 선행열의 돌기에 대하여 규칙적으로 또는 임의로 교열된다. 돌기는 V자형이고 이들의 첨상부가 유동방향에 거스르는 방향을 향한다. 즉, 돌기의 첨상부(56)가 유동측으로 향한다. 돌기의 첨상부로부터 후단측의 측부는 직선처럼 되어 있으나 이들 측부는 오목형 또는 볼록형으로 만곡될 수 있다. 돌기의 정점각도 α는 50-90°의 범위가 좋다.
본 발명에 따른 돌기의 패턴을 적용함에 있어서는 축척의 변화를 요구한다. 이는 항공기의 날개 또는 동체에서 볼 수 있는 바와 같이 난류경계층에 대한 경우이다. 경계층을 성장시키는 경우, 축척크기는 유선방향의 1/10힘과 같이 서서히 변화한다.
도 5에서 보인 바와 같이, 유동방향으로의 돌기의 피치(즉, 패턴의 열피치)는 a로 표시되고 유동방향에서 돌기의 크기는 b로 표시되어 있다.
유동방향에 수직인 방향(즉, 폭방향)으로 돌기의 크기는 c로 표시되어 있다. 유동방향에 대하여 횡방향(즉, 열의 방향)으로 돌기의 피치는 d로 표시되어 있으며, 연속열의 돌기와 선행열의 돌기 사이의 오프셋트는 e로 표시되어 있다. 끝으로, 돌기의 높이 또는 두께는 f로 표시되어 있다.
폐쇄복귀형의 저속채널 풍동에서 특정한 벽패턴이 시험되었다. 풍동의 시험부분의 크기는 높이가 5.5㎝이고 폭이 75㎝이며 길이가 850㎝이다. 시험부분앞에 150㎝길이의 고정챔버가 설치되었다. 전형적인 시험상 레이놀즈 수(Reynold's numbers)는 중심속도 6-10m/sec에 해당하는 10,800-18,000의 범위이었다. 패턴이 시험부분의 바닥부분에만 적용되었다.
표(A)는 저항감소를 보이는 시험패턴의 크기, 즉 밀리미터 단위의 크기를 보이고 있으며 표(B)는 저항증가를 보이는 크기를 열거하고 있다. 디자인 2가 오프셋트 e가 고정되거나 규칙적인 것과 오프셋트가 임의의 것으로 평가 되었으며 이 경우 값 e는 평균값을 나타낸다. 디자인 3과 4는 고정 오프셋트 e로 평가되었다.
표 (A) (밀리미터 단위의 크기)
표 (B) (밀리미터 단위의 크기)
다음의 결과는 다음의 유속(7m/sec에서, 1벽 단위는 약 0.05㎜이다)에 대하여 오프셋트가 임의의 것(임의로 교열된 패턴)인 디자인 2를 이용하여 저항감소에 대해 얻은 것이다.
오프셋트가 고정되었을 때에(즉, 도 6에서 보인 규칙적인 교열패턴일 때에), 저항감소가 이루어졌으나 동일한 시험조건하에서는 오프셋트가 임의의 것인 경우보다 현저히 낮았다. 또한 임의라는 돌기의 높이와 V형 패턴에 적용될 수 있다.
다음의 결과는 혼합의 경우에 달성된 것이다.(즉, 저항증가)
혼합의 경우에 있어서, 연속열의 돌기와 선행열의 돌기 사이(즉, 행간사이의 교열돌기)의 오프셋트 e는 제로이다. 다시말해서, 혼합은 돌기가 고열되지 않은 경우 증가된다. 이러한 특성의 패턴은 열교환면 등에 적합하다.
돌기가 교열되었을 때에, 본 발명은 다양한 단면의 파이프와 덕트와 같은 임의의 유체장치, 항공기동체나 보우트 또는 선박 등과 같은 운반체와, 항공기날개, 그리고 상기 언급된 시험에서 설명된 채널유동에 적용될 수 있다. 더욱이, 본 발명은 크기와 배치에 있어서 교란이 롤쌍과 상호작용하는 것에 이칠하는 MEMS, 압전 및 전기수력학적 수단의 이용을 통하여 달성되는 능동교란에 적용될 수 있다.
열에서 V형 요소의 위치는 임의배치될 수 있다. 즉, 열의 중심선 요소에 대한 열에서 요소의 위치는 임의로 전후 배치될 수 있다. 이들 두종류의 임의배치에 대하여서는 실제로 패턴이 일부의 임의배치후 강제로 반복되는 것이 고려될 수 있다.
저항감소에 대하여 상기와 같이 주어진 결과는 풍동의 시험부분의 바닥에만 패턴형성 물질을 적용하여 얻은 결과이다. 만약 패턴형성 물질이 덕트나 파이프의 전 벽에 적용되는 경우, 예를 들어 저항감소(비선형을 고려하여) 간단히 저항감소를 직관적으로 배가한 것을 능가할 것이다. 최적 조건(주어진 예에서 7m/sec)에서, 30% 이상의 저항감소가 기대될 수 있다. 마찬가지로 모든 벽에 적당한 패턴을 적용할 때에 향상된 혼합효과가 기대될 수 있다.
이상으로 본 발명의 방법과 장치에 의하여 얻게 되는 잇점과 개선된 결과는 본 발명의 우선 실시 형태의 상기 설명으로부터 명백하게 된다.
청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술사상과 범위를 벗어남이 없이 여러 가지 변경이나 수정이 이루어질 수 있다.

Claims (23)

  1. 롤쌍 또는 벽면과 인접하며 유동방향으로 연장되는 스트릭계로 특징 지워지는 벽면과 인접하는 난류벽영역을 가진 경계층의 난류 또는 다른 벽으로 둘러싸인 유체유동장을 제어하는 방법에 있어서, 상기 방법은 수동수단에 의하여 상기 벽영역에 롤쌍의 생성을 증가시키거나 억제시켜서 유동장의 난류를 증가 또는 감소시키는 교란을 도입하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 경계층의 난류와 벽에 인접한 유체유동장을 제어하는 방법.
  2. 롤쌍 또는 벽에 인접한 스트릭계가 유동강도와 기능적으로 연관되는 직경을 가지며 유동방향으로 연장되는 난류벽영역을 갖는 경계층의 난류 또는 다른 벽으로 둘러쌓인 유체유동장을 증가시키는 방법에 있어서, 상기 방법은 상기 롤쌍의 생성을 증강시키는 수동교란을 벽영역으로 도입시키는 단계를 포함함을 특징으로 하는 난류와 벽에 인접한 유체유동장을 증가시키는 방법.
  3. 벽면과 인접하는 유체유동장의 난류벽영역, 즉 롤쌍 또는 면에 인접한 스트릭계로 특징지워지는 난류벽영역내에서 난류저항을 감소시키는 장치에 있어서, 상기 롤쌍 또는 스트릭계는 유동강도와 기능적으로 연관되는 직경을 가지며, 상기 장치는 상기 벽영역으로 상기 롤쌍의 생성을 억제하는 수동교란을 도입시키는 수단을 포함함을 특징으로 하는 벽에 인접한 유체유동장의 난류벽영역에서 난류저항을 감소시키는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 수단이 상기 면에 형성되는 돌기 또는 요구의 2차원 어레이의 형태임을 특징으로 하는 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 어레이가 유체유동의 방향에 대하여 수직인 연속 행에 배열된 다수의 돌기를 포함하고 연속열의 돌기가 선행열의 돌기에 대하여 교열됨을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 돌기가 규칙적으로 교열됨을 특징으로 하는 장치.
  7. 제3항에 있어서, 상기 돌기가 임의로 교열됨을 특징으로 하는 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 돌기가 5-15 벽단위(여기에서, 벽단위는 점도를 밀도와 전단응력의 평반근으로 나눈 것이다)의 거리를 두고 유동측으로 돌출됨을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서 상기 돌기가 V자 형이고 이 돌기의 첨상부가 유동방향의 상류측으로 향함을 특징으로 하는 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 돌기의 정점각도가 50-90°임을 특징으로 하는 장치.
  11. 제9항에 있어서, 열에서 돌기의 피치가 약 200-300 벽단위에 대하여 돌기가 하나인 범위임을 특징으로 하는 장치.
  12. 제9항에 있어서, 유동방향으로 돌기의 피치가 200-400 벽단위에 대하여 열이 하나인 범위임을 특징으로 하는 장치.
  13. 제9항에 있어서, 유동방향으로 돌기의 크기가 150-250 벽단위의 범위임을 특징으로 하는 장치.
  14. 롤쌍 또는 스트릭의 천연계가 벽에 인접하며 상기 롤쌍 또는 스트릭이 유동강도에 따라 달라지는 직경을 가지며 유동방향으로 연장되는 난류벽영역을 갖는 경계층 또는 다른 벽인접 유체유동장의 난류를 증가시키기 위한 장치에 있어서, 상기 장치가 상기 롤쌍의 생성을 증가시키는 수동교란을 상기 벽영역으로 도입시키는 수단을 포함함을 특징으로 하는 경계벽 또는 다른 벽인접 유체유동장의 난류증가장치.
  15. 벽면에 인접한 유체유동장의 난류벽영역의 난류저항을 증가시키기 위한 장치에 있어서, 상기 난류벽영역이 상기면에 인접한 롤쌍 또는 스트릭의 천연계가 특징이고, 상기 롤쌍 또는 스트릭은 유동강도에 대하여 달라지는 직경을 가지며, 장치가 상기 롤쌍의 생성을 증가시키는 수동교란을 상기 벽영역으로 도입하는 수단을 포함함을 특징으로 하는 유체유동장의 난류벽영역의 난류저항증가장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 수단이 상기면에 형성된 돌기 또는 요구의 2차원 어레이의 형태임을 특징으로 하는 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 어레이가 유체유동방향에 수직인 연속열에 배열된 다수의 돌기를 포함하고 연속열의 돌기가 선행열의 돌기와 일렬로 정렬됨을 특징으로 하는 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 돌기가 5-15 벽단위(여기에서 벽단위는 점도를 밀도와 전단응력의 평방근으로 나눈 것이다.)의 거리를 두고 유동측으로 돌출됨을 특징으로 하는 장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 돌기가 V자 형이고 이 돌기의 첨상부가 유동방향의 상류측으로 향함을 특징으로 하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 돌기의 정점각도가 50-90°임을 특징으로 하는 장치.
  21. 제9항에 있어서, 열에서 돌기의 피치가 200-300 벽단위당 하나의 돌기의 범위임을 특징으로 하는 장치.
  22. 제9항에 있어서, 유동방향으로 돌기의 피치가 200-400 벽단위당 1열의 범위임을 특징으로 하는 장치.
  23. 제9항에 있어서, 유동방향으로 돌기의 크기가 150-250 벽단위의 범위임을 특징으로 하는 장치.
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