Laminar Flow around a Sphere in Ground Effect

Abstract

지면근처에서 구 주위 층류 유동의 특징을 비정상 비대칭구조를 가지는 레이놀즈 수 425 에서 직접수치모사를 이용하여 연구하였다. 구를 모사하기 위하여 가상경계방법이 사용되었고 지면효과를 알아보기 위해 세 가지 지면의 경계조건이 부여되었다. 그 지면조건은 각각 움직이는 바닥, 자유전단, 점착조건을 가지는 지면이다. 각각의 지면에 따라 시간평균 된 항력계수와 양력계수가 구와 지면 사이의 거리에 따라 변하는 것을 보았다. 불안정성 이론에 근거하여 임계 간격비가 정의되고, 구와 지면 사이의 거리와 구의 지름과의 비가 이 임계 간격비보다 좁아지면, 구와 지면 사이의 유동방향 속도분포의 변곡점이 사라지면서 유동구조가 안정화 되었다.

The flow characteristics around a sphere in close proximity to the ground are investigated numerically using direct numerical simulation (DNS) in unsteady laminar flow regime, ReD = 425. To simulate the sphere, immersed boundary method is used. Three ground conditions which are moving rigid, shear-free, and static rigid are simulated by imposing specific inflow and ground boundary conditions of computational domain. Variations of time-averaged drag and lift coefficients are observed with respect to the gap ratio at each ground condition. A critical gap ratio between the sphere and the ground is defined according to the general criteria for instability. When the gap ratio is smaller than the critical gap ratio, the flow structures are stabilized due to the disappearance of the inflection points of the mean streamwise velocity profile in the gap between the sphere and the ground.