PIV를 이용한 낮은 레이놀즈 수일 때 초소수성 표면을 가진 수중익 주위 유동의 실험적 분석

Abstract

본 연구에서는 낮은 레이놀즈 수 0.2–1.0 × 104 영역에서 초소수성 표면이 NACA0012 수중익 주위의 유동에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 수동 내 설치된 수중익의 반음각을 0도부터 20도까지 변화시키면서 고속 입자영상속도계를 이용한 2차원의 유동장 측정이 수행되었다. 초소수성 표면은 소수성 물질의 나노입자를 스프레이로 코팅하여 제작되었다. 초소수성 표면의 효과는 레이놀즈 수와 받음각에 따라 변화하는데, 배경 유동의 섭동과 표면 미끄럼 및 거칠기에 의한 섭동의 강도 차이에 의해 결정된다. 받음각이 매우 작거나 클 때, 초소수성 표면이 수중익 주위 유동에 미치는 영향은 미미하다. 받음각이 2도 이상 되면 유동이 초소수성 표면을 위를 지나면서 난류가 증가하고 전단층 불안전성이 증가됨에 따라 빠른 와류 롤업 및 와류 형성 길이의 감소가 나타난다. 그러나 특정 받음각보다 커지면 초소수성 표면 효과가 역전되어 와류 롤업이 다소 지연되었다. 이러한 현상은 배경 유동 구조의 변화에 따라 나타나는 것으로 확인할 수 있다. 우리는 실험 결과를 토대로 레이놀즈 수와 받음각에 따라 초소수성 표면 효과를 분류하였다.

In the present study, the effects of superhydrophobic surface on the flow around a NACA0012 hydrofoil are experimentally investigated at ultra-low Reynolds number range of 0.2–1.0 × 104. The velocity fields were measured using two-dimensional particle image velocimetry in a water tunnel while varying the angle of attack from 0 to 20 degrees. The spray-coating of hydrophobic nanoparticles is used to create supherhydrophobic surfaces. Depending on the Reynolds number and angle of attack, we found that the effects of superhydrophobic surface show up differently, which is determined by the relative strength of perturbation caused by both the surface slip (trapped air layers) and roughness, compared to that of background (i.e., uncontrolled) flow. In general, the superhydrophobic surface has a little influence on the wake behind a hydrofoil when the angle of attack is very low (attached flow) and high (fully separated flow). At intermediate angles of attack, the flow over superhydrophobic surface has more turbulence and thus the enhanced shear layer instability causes the early vortex rollup in the wake and reduction of vortex formation length. Interestingly, there is a transitional range of angle of attack, in which this effect is reversed and thus the vortex rollup is slightly delayed. This trend can be explained based on the changes in the uncontrolled flow structures and we propose a classification of effects in terms of Reynolds number and angle of attack.