In this study, numerical analyses that considered the dynamic interaction effects between the flow and a turbine were carried out to investigate the power output performance of an H-type Darrieus turbine rotor, which is one of the representative lifting-type vertical-axis tidal-current turbines. For this purpose, a commercial CFD code, Star-CCM+, was utilized for an example three-bladed turbine with a rotor diameter of 3.5 m, a solidity of 0.13, and the blade shape of an NACA0020 airfoil, and the optimal tip speed ratio (TSR) and corresponding maximum power coefficient were evaluated through exhaustive simulations with different sets of flow speed and external torque conditions. The optimal TSR and maximum power coefficient were found to be approximately 1.84 and 48%, respectively. The torque and angular velocity pulsations were also investigated, and it was found that the pulsation ratios for the torque and angular velocity were gradually increased and decreased with an increase in TSR, respectively.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.7
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pp.849-861
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1997
In this study, the effect of hole geometry of the cooling system on the flow and temperature field was numerically calculated. The finite volume method was employed to discretize the governing equation based on the non-orthogonal coordinate with non-staggered variable arrangement. The standard k-.epsilon. turbulence model was used and also the predicted results were compared with the experimental data to validate numerical modeling. The predicted results showed good agreement in all cases. To analyze the effect of the discharge coefficient for slots of different length to width, the inlet chamfering and radiusing holes were considered. The discharge coefficient was increased with increment of the chamfering ratio, radiusing ratio and slot length to width and also the effect of radiusing showed better result than chamfering in all cases. In order to analyze the difference between the predicted results with plenum region and without plenum region, the velocity profiles of jet exit region for a various flow conditions were calculated. The normal velocity components of jet exit showed big difference for the low slot length to width and high blowing rate cases. To analyze the flow phenomena injected from a row of inclined holes in a real turbine blade, three dimensional flow and temperature distribution of the region including plenum, hole and cross stream with flow conditions were numerically calculated. The results have shown three-dimensional flow characteristics, such as the development of counter rotating vortices, jetting effect and low momentum region within the hole in addition to counter rotating vortex structure in the cross stream.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.37
no.1
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pp.26-39
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2000
This paper presents the influence of Reynolds number on propeller open-water performance at the towing tank and the cavitation tunnel for series propellers(No. of blade=4, $0.3{\leq}A_E/A_O{\leq}0.75,\;0.5{\leq}P/D{\leq}1.1$). It is shown that the Reynolds number recommanded by 15th and 17th ITTC is not large enough to obtain reliable P.O.W. test results and then the suitable test conditions for the both facilities is suggested. The correlation of the propeller open-water characteristics at the cavitation tunnel and the towing tank is described and a correlation factor $\kappa$ is deduced from those test results. The viscous effect of the flow around the propeller shaft on the propeller characteristics is investigated from the velocity measurement by Laser Doppler Velocitimetry(L.D.V.). The measured velocity distribution shows that viscous flow effect is not negligible.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.34
no.6
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pp.695-700
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2010
Material properties of the lock plate, which covers the gas-turbine blade, are studied using ultrasonic guided waves. The lock plate is a crucial part of a gas-turbine power plant. The wave velocity and attenuation coefficient are measured to investigate the changes in the material properties under three heat-treatment conditions. Compared to the destructive mechanical tests, the material characterization of Inconel X-750 can be performed more efficiently and nondestructively by using ultrasonic guided waves; this characterization helps identify the changes occurring in its elastic moduli and Poisson's ratio under different heat-treatment conditions. The wave velocity and hardness of Inconel X-750 are proportional to each other. This nondestructive technique for the measurement of material properties can be widely used in various industries to avoid catastrophic failure. It is also expected that the guided-wave technique can be applied as a new cost- and time-saving inspection tool for longer and wider inspection ranges.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.12
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pp.4013-4026
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1996
A numerical simulation has been carried out for the jet impinging on a flat plate and a semi-circular concave surface. In this computation finite volume method was employed to solve the full Navier-Stokes equation based on a non-orthogonal coordinate with non staggered variable arrangement. The standard k-.epsilon. turbulent model and low Reynolds number k-.epsilon. model(Launder-Sharmar model) with Yap's correction were adapted. The accuracy of the numerical calculations were compared with various experimental data reported in the literature and showed good predictions of centerline velocity decay, wall pressure distribution and skin friction. For the jet impingement on a semi-circular concave surface, potential core length was calculated for two different nozzle(round edged nozzle and rectangular edged nozzle) to consider effects of the nozzle shape. The result showed that round edged nozzle had longer potential core length than rectangular edged nozzle for the same condition. Heat transfer rate along the concave surface with constant heat flux was calculated for various nozzle exit to surface distance(H/B) in the condition of same jet velocity. The maximum local Nusselt number at the stagnation point occurred at H/B = 8 where the centerline turbulent intensity had maximum value. The predicted Nusselt number showed good agreement with the experimental data at the stagnation point. However heat transfer predictions along the downstream were underestimated. This results suggest that the improved turbulence modeling is required.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.4
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pp.295-302
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2009
The flow in the draft tube cone of Francis turbines operated at partial discharge is a complex hydrodynamic phenomenon where an incoming steady axisymmetric swirling flow evolves into a three-dimensional unsteady flow field with precessing helical vortex (also called vortex rope) and associated pressure fluctuations. The paper addresses the following fundamental question: is it possible to compute the circumferentially averaged flow field induced by the precessing vortex rope by using an axisymmetric turbulent swirling flow model? In other words, instead of averaging the measured or computed 3D velocity and pressure fields we would like to solve directly the circumferentially averaged governing equations. As a result, one could use a 2D axi-symmetric model instead of the full 3D flow simulation, with huge savings in both computing time and resources. In order to answer this question we first compute the axisymmetric turbulent swirling flow using available solvers by introducing a stagnant region model (SRM), essentially enforcing a unidirectional circumferentially averaged meridian flow as suggested by the experimental data. Numerical results obtained with both models are compared against measured axial and circumferential velocity profiles, as well as for the vortex rope location. Although the circumferentially averaged flow field cannot capture the unsteadiness of the 3D flow, it can be reliably used for further stability analysis, as well as for assessing and optimizing various techniques to stabilize the swirling flow. In particular, the methodology presented and validated in this paper is particularly useful in optimizing the blade design in order to reduce the stagnant region extent, thus mitigating the vortex rope and expending the operating range for Francis turbines.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.10
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pp.901-906
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2010
A three-dimensional flow simulation was performed to investigate the flow field in a wind farm on a complex terrain. The present study aims to examine the effects of mountainous terrain and turbine arrangement on the performance of wind power generation. A total of 49 wind turbines was modeled in the computational domain; detailed blade shape of the turbines was considered. Frozen rotor method was used to simulate the rotating operation. The torque acting on the turbine blades was calculated to evaluate the performance of the wind turbines. The numerical results showed details of the flow structure in the wind farm including the velocity deficit in the separated flow regions; this velocity deficit was due to the topographical effect. The effect of the wake induced by the upstream turbine on the performance of the downstream wind turbine could also be observed from the results. The methodology of the present study can be used for selecting future wind-farm sites and wind-turbine locations in a selected site to ensure maximum power generation.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.28
no.2
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pp.146-158
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1991
The flow around a two-dimensional foil section Is measured by a LDV(Laser Doppler Velocimetry) system which is capable of measuring the datailed flow field without interfering the original flow field. A 2-color 3-beam LDV system, which is capable of mea,;tiring 2 velocity components simultaneously and uses 2W Ar-Ion laser source, is used to measure the flow field around an NACA0012 foil section. The measured flow velocities are analysed iii order to study the boundary layer characteristics, flow separation and the detail structure of the flow near the trailing edge of the foil. The boundary layer characteristics are compared with the results by the head's momentum integral method. For the case of small angle of attack at relatively higher Reynolds number, both results show good agreements. The measured data of the velocity field around an NACA0012 foil section would be valuable data to validate the CFD(Computational Fluid Dynamic) calculation results. The developed experimental technique to evaluate the characteristics of two-dimensional foil sections is essential tool to develope new blade sections which have good lift characteristics and better cavitation performances.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.55
no.6
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pp.474-481
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2018
This paper is to compare by numerical analysis the flow characteristics and propulsion performance of stern with the shape change of K-duct, a pre-swirl duct developed by Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering (KRISO). First, the characteristics of the propeller and the resistance and self-propulsion before and after the attachment of the K-duct to the ship were verified and the validity of the calculation method was confirmed by comparing this result with the model test results. After that, resistance and self-propulsion calculations were performed by the same numerical method when the K-duct was changed into five different shapes. The efficiency of the other five cases was compared using the delivery horsepower in the model scale and the flow characteristics of the stern were analyzed as the velocity and pressure distributions in the area between the duct end and the propeller plane. For the computation, STAR-CCM +, a general-purpose flow analysis program, was used and the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations were applied. Rigid Body Motion (RBM) method was used for the propeller rotating motion and SST $k-{\omega}$ turbulence model was applied for the turbulence model. As a result, the tangential velocity of the propeller inflow changed according to the position angle change of the stator, and the pressure of the propeller hub and the cap changes. This regulated the propeller hub vortex. It was confirmed that the vortex of the portion where the fixed blade and the duct meet was reduced by blunt change.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.2
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pp.177-187
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2000
Measurements of temperature fields and film-cooling effectiveness have been conducted for a shower-head film cooling on the leading edge of a blunt body, which simulates a first-stage turbine stator. In this study, three injection cases are employed for an average blowing ratio based on freestream velocity, M, of 0.5, 1.0 and 1.5. Two (Case 1), four (Case 2) and six (Case 3) rows of normal holes are symmetrically drilled on the three tested circular-cylinder leading edges. The measurements show that regardless of M, the film-cooling effectiveness increases as the injection row is situated at farther downstream location. In Case 1, the film-cooling effectiveness is highest for M = 0.5 and lowest for M = 1.5. On the contrary, in Case 3, the film-cooling effectiveness is highest for M = 1.0 and lowest for M = 0.5. When M = 0.5, the film coverage by the first row of the injection holes deteriorates as the number of the injection row increases. In particular, the film-cooling effectiveness due to the injection through the first row of the holes in Case 3, has a nearly zero value.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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