회전하는 원형단면 실린더 주위의 난류유동 물질전달에 대한 직접수치모사

초록

본 연구에서는 DNS 방법을 이용하여 회전하는 원형단면 실린더 주위에서의 난류유동에서 매우 높은 Scmidt 수 (Sc=1670)인 경우에 대해서 물질 전달에 대한 전산 해석적 연구를 수행하였다. Sc가 매우 높은 경우 벽 근처의 Nernst 확산층 두께가 매우 작아짐이 확인되었다. 실린더의 회전속도가 증가함에 따라 Sherwood 수 (Sh) 도 증가함이 확인 되었고 정량적으로 다른 실험치들과 매우 잘 일치되었다. 속도분포-농도의 상관관계에 대한 해석 결과 회전방향과 실린더로부터 수직방향의 섭동속도성분은 농도섭동과 매우 큰 상관이 있는 반면에 횡방향의 섭동 속도 성분은 농도 섭동과 상관이 거의 없음이 밝혀졌다. 높은 Sc인 경우 Nernst 확산층은 점성저층 내부에 존재하게 되며 이 경우 Nernst 확산층 외부와 점성저층 내부에서는 0에 가까운 양의 농도 섭동이 많은 빈도를 보이며 음의 농도 섭동은 매우 간헐적으로 발생하였다. 순간적인 농도 섭동을 관찰한 결과 실린더의 회전속도가 증가함에 따라 농도 섭동의 길이규모는 작아지는 현상을 보이며 Nernst 확산층 내부에서 매우 활발한 농도 섭동이 관찰되었다. 본 연구의 결과는 향후 높은 Sc에서 물질전달과 관련된 침식-부식 문제를 해결하기 위하여 회전 기계류에 대한 해석을 할 경우 요긴하게 활용 될 것으로 전망된다.