학술논문
분지관 내부 물체 주위의 비뉴턴 맥동류에 대한 CFD 해석 / A Study on the Non-Newtonian Pulsatile Flow around an Object in a Bifurcated Tube Using CFD Method
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
본 연구에서는 비정상 상태의 맥동유동이 분지관 내를 흐를 때 관내에 삽입된 작은 물체 주위의 유동과, 이에 기인하는 물체의 항력을 수치해석적인 방법으로 고찰하였다. 유동은 층류, 비압축성, 비뉴턴 유체로 가정하였으며, 시간에 따른 주기유동을 상정하여 3차원 유동을 해석하였다. 비뉴턴 유체 해석을 위한 점도 구성방정식으로서, Carreau Model을 이용하였으며, 맥동류 해석을 위해서는 사인파 형태의 속도 입구 경계조건을 제시하였다. 전체 CFD 유동 해석을 위해서는 FVM 상용 유체 해석 프로그램 중 하나인 SC/Tetra Ver. 6.0을 사용하였다. 먼저, 해석의 타당성을 검증하기 위해 기존 논문의 자료와 비교를 하였다. 정상상태, 비뉴턴 유체 해석에서는 Carreau Model을 사용했을 경우에, 최대 전단응력이 나타나는 위치와 그 값에서 약간의 차이가 있었으나, 가장 타당한 결과를 보여주었다. 분지관에서 맥동류 해석에 대해서도 기존 논문과 비교를 하였다. 속도, 유선의 경우 유사한 결과를 보였으며, 전단응력의 비교에 있어서도 최대속의 시점에서 오차가 생기나, 전체적인 경향은 일치하였다. 이를 바탕으로 해석을 실시한 결과, 압력 항력보다 마찰항력이 지배적인 역할을 하여, 최대 유속과 최대 항력은 각각 위상이 같게 나타남으로써 타당한 결과를 보여주었다. 또한 분지가 갈라지는 시점에서, 이미 항력은 감소하여 이후 분지부에서 안정화될 때까지 지속적으로 감소하는 경향을 보여주었다. 그러나 운동량은 유동의 미세한 변화에 따라 불안정해질 수 있으므로, 물체의 운동의 제어 및 예측이 아주 복잡할 것으로 예상된다.
In this study, the non-Newtonian pulsatile flow around an object sub- merged in a bifurcated tube was simulated and the drag forces of the body were calculated, using CFD method. The fluid was assumed to be a laminar, incompressible and non-Newtonian flow, and the periodic flow condition was given to the three dimensional model. For the non-Newtonian condition, the apparent viscosity is expressed as a function of the shear rate using Carreu model, and for the pulsatile flow condition, a velocity profile of sinusoidal wave form is used as an inlet boundary condition. The overall investigation was carried out using a FVM commercial code, SC/Tetra Ver. 6.0.First, to validate the simulation result, it is compared with those of the existing papers. For steady Newtonian flow, when the Carreau model was used, the result matches with one of the other paper.According to the next analysis, skin friction drag dominates the body, not pressure drag. Therefore the drag has the same phase to the velocity inlet condition. In the branched corner, the total drag starts and continues to decrease until the object reaches to the fully developed flow of a branch. However, because the momentum seems to be very unstable in the corner, estimation and control of the motion of the body would very complicated.
In this study, the non-Newtonian pulsatile flow around an object sub- merged in a bifurcated tube was simulated and the drag forces of the body were calculated, using CFD method. The fluid was assumed to be a laminar, incompressible and non-Newtonian flow, and the periodic flow condition was given to the three dimensional model. For the non-Newtonian condition, the apparent viscosity is expressed as a function of the shear rate using Carreu model, and for the pulsatile flow condition, a velocity profile of sinusoidal wave form is used as an inlet boundary condition. The overall investigation was carried out using a FVM commercial code, SC/Tetra Ver. 6.0.First, to validate the simulation result, it is compared with those of the existing papers. For steady Newtonian flow, when the Carreau model was used, the result matches with one of the other paper.According to the next analysis, skin friction drag dominates the body, not pressure drag. Therefore the drag has the same phase to the velocity inlet condition. In the branched corner, the total drag starts and continues to decrease until the object reaches to the fully developed flow of a branch. However, because the momentum seems to be very unstable in the corner, estimation and control of the motion of the body would very complicated.