공동 유동 구조 결합 시뮬레이션을 통한 연속 천공 탄성 와류 발생기(Tandem Perforated EVG)의 동적 거동 규명

초록

본 연구는 고정된 레이놀즈 수와 간격 조건에서 탄성 와류 발생기(EVG)의 굽힘 강성, 질량비, 그리고 공극률을 변화시키며, 천공형과 비천공형 두 종류의 EVG에 대한 2방향 유동‑구조 결합(FSI) 시뮬레이션을 수행하였다. 결과는 비천공 EVG에서만 나타나는 저압 공동 진동 모드가 천공으로 완전히 억제되며, 천공은 고유 진동수를 변형시켜 VIV(와류 유도 진동)의 락인 조건을 낮은 강성·높은 질량비 영역으로 이동시키고 진동 진폭을 감소시킴을 보여준다. 또한, 상류 EVG는 하류 EVG의 와류를 차폐해 지속적인 상류 항력을 증가시키지만, 천공은 흐름 투과를 늘려 상류 항력을 감소시키고 하류 항력을 증가시킨다.

상세 분석

본 논문은 3차원 유한요소 기반의 2‑Way FSI 프레임워크를 활용해, 탄성 와류 발생기(EVG)의 동적 응답을 정밀하게 예측하였다. 주요 파라미터는 비차원화된 굽힘 강성(K*), 질량비(M*), 그리고 공극률(ϕ)이며, 레이놀즈 수는 Re=2000, EVG 간격은 L/D=2로 고정하였다. 시뮬레이션 결과는 크게 세 가지 응답 모드로 구분된다. 첫째, ‘Lodging’ 모드에서는 EVG가 저속 흐름에 고정된 채로 위치를 유지하며, 구조 변형이 거의 없고, 압력 분포가 대칭적으로 유지된다. 둘째, ‘Vortex‑Induced Vibration(VIV)’ 모드에서는 EVG가 2차 고유 진동수(f₂)에 락인되어 강한 주기적 진동을 보이며, 전형적인 로스터 모드(주로 n=2)와 일치한다. 셋째, ‘Static Reconfiguration’ 모드에서는 유동에 의해 EVG가 일정 각도로 휘어져 흐름을 재배열한다. 비천공 EVG에서는 이와 별도로 ‘Cavity Oscillation’ 모드가 관찰되는데, 이는 EVG 사이에 형성된 저압 공동이 자체 진동을 일으키며, 1차 고유 진동수(f₁)와 로스터 1차 모드(n=1)에 근접한 주파수를 가진다. 천공을 도입하면 공극을 통한 흐름 통과가 증가하고, 공동 내부의 저압 영역이 파괴되어 이 모드가 완전히 사라진다.

천공이 구조적 고유 진동수에 미치는 영향도 상세히 분석되었다. 공극률이 증가하면 유효 단면 2차 모멘트가 감소하고, 따라서 굽힘 강성이 감소한다. 동시에, 공극을 통한 유동 질량이 증가해 추가적인 ‘added‑mass’ 효과가 발생, 이는 고유 진동수를 하향 이동시킨다. 결과적으로 VIV 락인 영역이 낮은 K와 높은 M 영역으로 이동하며, 진동 진폭도 약 30%~50% 감소한다. 이는 천공이 구조적 댐핑 효과를 제공함을 의미한다.

항력 분석에서는 상류 EVG가 하류 EVG의 와류를 차폐해 상류에서 평균 항력 계수(C_D↑)가 증가하지만, 천공은 흐름을 부분적으로 통과시켜 차폐 효과를 약화시키고, 상류 C_D를 감소시킨다. 반면, 하류 EVG는 전방 유동량이 증가함에 따라 항력 계수가 상승(C_D↓)한다. 이러한 항력 재분배는 전체 시스템의 압력 손실을 감소시키고, 에너지 회수 효율을 향상시킬 가능성을 시사한다.

마지막으로, 와류 발생 메커니즘을 시각화한 결과, EVG 팁에서의 전단층 분리가 주요 와류 원천임을 확인하였다. 천공 EVG는 팁 근처에서 작은 규모의 와류를 생성하고, 빠르게 소산되며, 이는 전체 와류 강도를 감소시킨다. 이러한 흐름 구조 변화는 소음 저감 및 진동 제어 측면에서도 유리하다.

전반적으로 본 연구는 천공 설계가 EVG의 동적 거동을 정밀하게 조절할 수 있음을 입증했으며, 설계자에게는 굽힘 강성, 질량비, 공극률을 조합해 원하는 VIV 억제와 항력 최적화를 달성할 수 있는 설계 지침을 제공한다.