Evaluation of Turbulence Models for Computational Fluid Dynamics of Artificial Reef

Abstract

수산자원의 보호 및 증식을 목적으로 이용되는 인공어초는 해저에 설치되어 주변의 흐름을 교란시킨다. 특히, 인공어초 후미에서 발생하는 후류역은 해양생물의 포집, 휴식, 섭이, 생산 등과 같은 역할을 하기 때문에 이의 특징(체적, 길이, 유속분포 등)을 평가하는 것은 중요하다. 하지만 인공어초의 기하학적 복잡성 때문에 이를 예측하기가 쉽지 않다. 더구나 후류역의 특성상 수리실험으로 확인하는 것에도 한계가 있고 전산유체역학에서 사용되는 적절한 해석모델에 대한 연구가 미흡하여 인공어초 주변의 흐름특성을 분석하는데 어려움이 있다. 본 연구에서는 Reynold-Averaged Navier-Stokes (RANS) 지배방정식을 이용할 때의 적절한 난류모델을 제안하고자 다섯가지 난류모델에 대하여 분석하였다. 다섯가지 난류모델은 standard k-epsilon 모델, Renormalization Group (RNG) 모델, k-omega 모델, Shear Stress Transport (SST) 모델, Reynold Stress Model (RSM)이다. 각 난류모델을 이용한 전산유체역학 해석은 동일한 격자계와 경계조건에서 해석되었으며, 해석결과를 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry; PIV)를 이용한 수리실험결과와 비교하였다. 이 때, PIV실험으로부터 획득한 인공어초 후미의 유속분포, 흐름구조를 기준으로 정량적, 정성적 평가를 수행하였다. 정량적 평가는 각 난류모델의 해석결과와 PIV실험결과의 정규유속 차이를 기준으로 하였다. 정성적 평가는 인공어초 후미에 발생하는 와(vortex)의 존재와 위치, 후류역의 형태와 길이를 기준으로 하였다. 난류모델의 정량적 평가가 우수하다는 것은 유속의 분포와 크기를 잘 예측한다는 의미이다. 반면에 정성적 평가가 우수하다는 것은 유속의 패턴과 난류구조를 잘 예측한다는 의미이다. 정량적 평가로부터 RNG 모델과 RSM이 예측성능이 우수하다. RNG 모델은 낮은 레이놀즈 수에서 우수한 성능이 나타낸다. 한편, RSM은 레이놀즈 수에 관계없이 좋은 성능을 보였다. 게다가 정성적 평가 또한 RSM이 가장 좋은 성능을 나타내었다. RSM은 정성적 평가에서 중요한 요소인 후류역의 형태와 길이를 가장 정확하게 나타내었다. 특히, 후류역의 형태와 길이를 결정하는 발산흐름과 와의 위치를 비교적 정확히 예측하였다. 하지만 k-omega 계열의 난류모델들(k-omega 모델, SST 모델)은 전체적으로 저조한 예측성능을 보였다. 본 연구의 결과로부터 인공어초의 전산유체역학 해석에 적합한 일반적인 난류모델은 RSM이며, 낮은 레이놀즈 수에서는 RNG 모델 또한 적절히 사용할 수 있을 것으로 판단된다.