Characterization of Plastron-Induced Drag Reduction on Superhydrophobic Surfaces in Turbulent Taylor-Couette Flow

Abstract

이 학위논문에서는 초발수 표면 등의 항력 감소 표면에 대한 성능 평가 및 속도장 변화를 계측하기 위한 고정밀/고해상도 TC-PIV 시스템을 개발 및 검증하고 계층구조 상에 생성된 플라스트론에 의한 항력 감소와 그 메커니즘에 대해 다룬다. TC 장치는 최근 항력 감소 연구에 활발히 사용되고 있지만, 실린더의 회전 조건에 따라 테일러 와류가 발생하는 특성이 있고 왜곡에 의해 경계층 유동의 해상도가 낮다는 단점이 있다. 또한, TC 장치의 실린더가 작을수록 발생하는 토크의 크기가 작아 측정이 어렵다는 단점이 있다. 그러나, TC 장치는 유체 채널 장치에 비해 비슷한 난류를 발생시키기 위한 장치 크기가 작고 시간과 비용이 적게 소요되는 큰 장점이 있고, 마찰 항력만을 쉽게 측정할 수 있기 때문에 앞서 나열한 단점들을 극복할 수 있는 장치 및 측정 방법 개발이 필요하다. 이에 따라 본 학위논문 에서는 초발수 표면의 항력 저감 성능을 평가하기 위해 저점도 단일 유체(물)를 사용하여 등속 역회전 조건의 유동을 생성하고 높은 토크 측정 정확도 및 높은 해상도의 경계층 속도장의 가시화가 가능한 TC 장치를 개발 및 검증하였다. 그리고 이를 플라스트론을 발생시키는 계층 구조 초발수 표면인 하이브리드 구조에 적용하여 항력 계측 및 속도장 분석을 통해 항력 저감 성능 및 그 메커니즘에 대해 연구하였다. 첫째로, 작동 유체를 저점도인 물을 사용하고 이에 따른 고정밀 TC 토크 측정을 위한 장치 개발을 하였다. 전체 장치를 편심을 줄일 수 있는 선반 가공을 하고 정밀한 제어를 위한 서보 모터를 도입하고 센서의 정밀한 교정을 통한 정밀 측정을 가능하도록 하였다. 또한, 베어링에 의한 마찰을 급수 전에 먼저 측정하여 추후 제거하는 방법을 사용하였다. 고해상도 속도장 가시화를 위해서는 2-D PIV를 도입하고, 고속카메라 및 고 배율 카메라 렌즈 세트를 활용하고, 형광 추적 입자를 사용하여 방사형-방위각 평면에서 왜곡 없이 TC 유동의 경계층 속도장 계측 해상도를 높일 수 있었다. 둘째로, von Kármán 토크는 기존 연구자의 실험식으로 추정하였고 그 기여도는 전체 토크의 약 10%(내부 실린더만 회전), 12%(등속 역회전 조건)이다. 이와 같은 방법으로 매끈한 PMMA 표면에 대한 항력 계측으로 기존 연구자의 실험 데이터와 비교하였고, 내부 실린더만 회전하는 조건에서는 전단 레이놀즈 수가 3,500이상에서 8% 이내의 오차율을, 등속 역회전 조건에서는 전단 레이놀즈 수가 4,000 이상에서 4%이내의 오차율을 나타내었다. 셋째로, 축 방향의 일정한 간격으로 2-D PIV(방사형-방위각 평면)을 수행하였다. 내부 실린더만 회전하는 조건에서 축 방향의 테일러 롤의 주기 측정이 가능함을 확인하였고, 한 주기에 대하여 공간(축 방향) 평균 방위각 속도 프로파일을 이용하여 여러 레이놀즈 수 유동에서 DNS결과와 검증하였다. 등속 역회전 조건의 경우, 전체 레이놀즈 수 유동에서 공간에 대한 일정한 주기를 보이지 않는 특징을 보였으며, 이러한 특성으로 공간(축 방향) 평균 방위각 속도 프로파일과 축 방향의 중간 평면의 방위각 속도 프로파일이 일치함을 확인 및 검증하였다. 이러한 결과들로 보아 등속 역회전 조건을 활용하면, 축 방향 실린더의 중앙부 2-D PIV만으로 축 방향의 공간 평균값과 동일한 결과를 얻을 수 있어 고출력 레이저에 취약한 초발수 표면의 속도장 계측에 적합한 방법임을 알 수 있었다. 넷째로, 등속 역회전 조건을 적용하여 계층 구조 초발수 표면인 하이브리드 구조에 대한 항력 감소를 계측하고 플라스트론에 의한 유동 변화 특성을 분석하였다. 항력 감소 계측 및 비교를 위해 매끈하고 유연한 PDMS 기판에 대한 실험도 수행하였다. 레이저 출력을 고려하여 전단 레이놀즈 수 4,000 이하에서 실험하였으며, 전단 레이놀즈 수 2,670과 4,000에서 하이브리드 구조의 항력 감소 성능은 각각 약 17.3%, 8.4%로 계측 및 추정하였다. 또한, 동시에 하이브리드 구조 위에 형성되는 플라스트론을 가시화하였으며, 전체 레이놀즈 수 범위에서 모두 플라스트론이 존재하는 것을 확인하였다. 다음으로 실린더의 축 방향 중앙 부분 방사형-방위각 평면에서 2-D PIV를 수행하였고, 하이브리드 구조에서 플라스트론에 의한 슬립 속도가 관찰되었다. 또한, TC 갭의 중앙부분(벌크 영역)에서 벌크 속도의 이동이 관찰되었으며, 항력 감소에 따른 결과로 추정하였다. 계측된 순간 속도장들을 이용하여 3가지 성분(벽-법선, 유동방향, 전단)의 레이놀즈 응력를 계산하였으며, 모든 성분의 레이놀즈 응력의 피크가 하이브리드 구조에서 감소하는 것을 확인하였으며 이는 기존 실험 및 DNS 연구의 결과의 추세와 동일한 것을 확인하였다. 또한, 하이브리드 구조에서 벽근처에서 거칠기 효과와 슬립속도에 의해 레이놀즈 전단 응력이 상승하지만, 슬립에 의해 점성 전단 응력이 감소하여 총 전단 응력이 감소하는 것으로 나타났으며 토크 측정의 결과를 뒷받침하는 결과로 확인되었다. 본 연구에서는 개발된 TC-PIV 시스템은 정밀한 항력 계측이 가능하여 초발수 표면 성능 평가 시 저점도 유체인 물을 사용할 수 있었으며, 등속 역회전 조건을 도입하여 2-D PIV을 이용하여 쉽게 공간 평균 속도 프로파일과 레이놀즈 응력 계측을 가능하게 하였고, 이를 통해 항력 저감 메커니즘을 분석할 수 있었다. 이렇듯 TC 장치에 2-D PIV를 적용하면, 비교적 쉽고 적은 비용으로도 정밀하게 초발수 표면의 유동 연구 같은 항력 감소 연구에 적합하다는 것을 알 수 있다.|In this thesis, a high-precision and high-resolution TC-PIV system is developed and validated for the evaluation of drag reduction surfaces such as superhydrophobic surfaces and the measurement of velocity field changes. The research focuses on investigating the drag reduction induced by the plastron formed on hierarchical structures and its underlying mechanisms. TC facility has been actively used in recent drag reduction studies, but it has the drawback of Taylor vortices occurring depending on the rotation conditions of the cylinder, and the resolution of the boundary layer flow is compromised by distortions. Additionally, a disadvantage of a TC facility with a smaller cylinder is that it is difficult to measure the torque due to the smaller magnitude of torque. However, TC facilities have the advantage of generating similar turbulence to fluid channel facilities in a smaller size, requiring less time and cost, and allowing easy measurement of frictional drag. Therefore, it is necessary to develop devices and measurement methods that can overcome the mentioned disadvantages. In this thesis, to evaluate the drag reduction performance of superhydrophobic surfaces, we generated flow under the exact counter-rotation condition using a low-viscosity single fluid (water). We developed and validated a TC facility capable of high-accuracy torque measurement and high-resolution visualization of the boundary layer velocity field. This setup was then applied to superhydrophobic surfaces with hierarchical structures for drag measurement and velocity field analysis to assess drag reduction performance. Firstly, we utilized low-viscosity water as the operating fluid and developed a facility for precise TC torque measurement accordingly. The entire apparatus underwent lathe machining to reduce eccentricity, integrated a precisely controlled servomotor, and allowed for precise measurements through meticulous sensor calibration. Additionally, we employed a method to measure mechanical friction of bearings prior to introducing it into the flowing water for subsequent removal. For high-resolution velocity field visualization, we introduced 2-D PIV, utilized a high-speed camera along with a high-magnification camera lens set, and used fluorescent tracer particles to enhance the resolution of boundary layer velocity field measurements of TC flow in the radial-azimuthal plane without distortion. Secondly, the von Kármán torque was estimated using an empirical formula from previous researchers, and its contribution was confirmed to be approximately 10% (IC case) and 12% (counter case) of the total torque. Using a similar approach, we compared the experimental data of previous researchers for drag measurement on a smooth PMMA surface. In the rotation of the inner cylinder only (IC) case, the error rate was within 8% for shear Reynolds numbers above 3,500. For the exact counter-rotation (counter) case, the error rate was within 4% for shear Reynolds numbers above 4,000. Thirdly, 2-D PIV (radial-azimuthal plane) was conducted at regular intervals in the axial direction. In the rotation of the inner cylinder only (IC) case, it was confirmed that the periodicity of axial Taylor rolls could be measured. Using spatially averaged azimuthal velocity profiles for each cycle, we validated the results against DNS (Direct Numerical Simulation) outcomes for various Reynolds number flows. In the case of the exact counter-rotation condition, the flow exhibited a featureless characteristic without a consistent period throughout various Reynolds number flow cases. Using this feature, we confirmed and validated the alignment of spatially averaged azimuthal velocity profiles with the axial mid-plane's azimuthal velocity profile. Based on these results, it can be concluded that utilizing the exact counter-rotation condition allows obtaining results for axial direction averaging, equivalent to the axial direction's averaging values, using only 2-D PIV at the central part of the cylinder along axial direction. This makes it a suitable method for velocity field measurements of superhydrophobic surfaces that are vulnerable to high-power lasers. Fourthly, we applied the exact counter-rotation condition to measure the drag reduction of a hybrid structured superhydrophobic surface and analyzed the flow characteristics influenced by the plastron. Experiments were also conducted on a smooth flexible PDMS substrate for drag reduction measurement and comparison. Considering laser output, we conducted experiments at shear Reynolds numbers below 4,000. The drag reduction performance of the hybrid structure was estimated to be approximately 17.3% and 8.4% at shear Reynolds numbers of 2,670 and 4,000, respectively. Additionally, we visualized the plastron formed on the hybrid structure, confirming its presence across the entire range of Reynolds numbers. Next, 2-D PIV was performed in the radial-azimuthal plane at the central part of the TC gap, and a slip velocity due to the plastron was observed on the hybrid structure. Furthermore, a shift in bulk velocity at the central part (bulk region) of the TC gap was observed, presumed to be a result of drag reduction. Using the measured instantaneous velocity fields, we calculated the Reynolds stress for the three components (wall-normal, streamwise, shear), and it was observed that the peak of Reynolds stress for all components decreased in the hybrid structure. This aligns with the trend observed in previous experimental and DNS studies. Furthermore, in the hybrid structure, it was observed that near the wall, the roughness effect and slip velocity led to an increase in Reynolds shear stress, while the viscous shear stress decreases due to slip, resulting in an overall reduction in shear stress. This trend is consistent with the torque measurement results. In this thesis, the developed TC-PIV system enabled precise drag measurement, allowing the use of low-viscosity fluid like water for evaluating the performance of superhydrophobic surfaces. The introduction of the exact counter-rotation condition facilitated easy measurement of spatially averaged velocity profiles and Reynolds stress using 2-D PIV, enabling the analysis of drag reduction mechanisms. Applying 2-D PIV to TC facilities proves to be relatively simple and cost-effective, making it suitable for detailed studies on drag reduction, such as the flow analysis of superhydrophobic surfaces.