A finite element-based, integrated process model has been developed and applied to predict the detailed, three-dimensional aspects of the thermo-mechanical behavior occurring in the slab caster considering inclusion removal from molten steel by argon bubble flotation. Gas bubbles are simulated using the dispersion model calculating the volume fraction, and the bubble capture effect is included by a source term in the transport equation for particles. The process model is applied to the investigation of the effect of various process parameters on the inclusion removal in the molten steel.
A finite-element method was employed to analyze axisymmetric unsteady motion of a deformable bubble near the wall. In the present study a deformable bubble in a Newtonian medium near the wall was considered. In solving the governing equations a structured mesh generator was used to describe the collapse of highly deformed bubbles with the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method being employed in order to capture the transient bubble boundary effectively. In order to check the accuracy of the present FE analysis we compared the results of our FE solutions with the result of the collapse of spherical bubbles in a large body of fluid in which solutions can be obtained using a 1D FE analysis. It has been found that 1D and 2D bubble deformations are in good agreement for spherically symmetric problems confirming the validity of the numerical code. Non-spherically symmetric problems were also solved for the collapse of bubble located near a plane solid wall. We have shown that a microjet develops at the bubble boundary away from the wall as already observed experimentally. We have discussed the effect of Reynolds number and distance of the bubble center from the wall on the transient collapse pattern of bubble.
Karn, Ashish;Ellis, Christopher R;Milliren, Christopher;Hong, Jiarong;Scott, David;Arndt, Roger EA;Gulliver, John S
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제8권2호
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pp.73-84
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2015
Aerating hydroturbines have recently been proposed as an effective way to mitigate the problem of low dissolved oxygen in the discharge of hydroelectric power plants. The design of such a hydroturbine requires a precise understanding of the dependence of the generated bubble size distribution upon the operating conditions (viz. liquid velocity, air ventilation rate, hydrofoil configuration, etc.) and the consequent rise in dissolved oxygen in the downstream water. The purpose of the current research is to investigate the effect of location of air injection on the resulting bubble size distribution, thus leading to a quantitative analysis of aeration statistics and capabilities for two turbine blade hydrofoil designs. The two blade designs differed in their location of air injection. Extensive sets of experiments were conducted by varying the liquid velocity, aeration rate and the hydrofoil angle of attack, to characterize the resulting bubble size distribution. Using a shadow imaging technique to capture the bubble images in the wake and an in-house developed image analysis algorithm, it was found that the hydrofoil with leading edge ventilation produced smaller size bubbles as compared to the hydrofoil being ventilated at the trailing edge.
Shin, Seung Chul;Lee, Gang Nam;Jung, Kwang Hyo;Park, Hyun Jung;Park, Il Ryong;Suh, Sung-bu
한국해양공학회지
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제35권1호
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pp.38-49
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2021
Slug flow is the most common multi-phase flow encountered in oil and gas industry. In this study, the hydrodynamic features of flow in pipes investigated numerically using computational fluid dynamic (CFD) simulations for the effect of slug flow on the vertical and bent pipeline. The compressible Reynold averaged Navier-Stokes (RANS) equation was used as the governing equation, with the volume of fluid (VOF) method to capture the outline of the bubble in a pipeline. The simulations were tested for the grid and time step convergence, and validated with the experimental and theoretical results for the main hydrodynamic characteristics of the Taylor bubble, i.e., bubble shape, terminal velocity of bubble, and the liquid film velocity. The slug flow was simulated with various air and water injection velocities in the pipeline. The simulations revealed the effect of slug flow as the pressure occurring in the wall of the pipeline. The peak pressure and pressure oscillations were observed, and those magnitudes and trends were compared with the change in air and water injection velocities. The mechanism of the peak pressures was studied in relation with the change in bubble length, and the maximum peak pressures were investigated for the different positions and velocities of the air and water in the pipeline. The pressure oscillations were investigated in comparison with the bubble length in the pipe and the oscillation was provided with the application of damping. The pressures were compared with the case of a bent pipe, and a 1.5 times higher pressures was observed due to the compression of the bubbles at the corner of the bent. These findings can be used as a basic data for further studies and designs on pipeline systems with multi-phase flow.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제9권1호
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pp.66-74
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2016
Concerning the numerical simulation of high-speed water jet with intensive cavitation this paper presents a practical compressible mixture flow method by coupling a simplified estimation of bubble cavitation and a compressible mixture flow computation. The mean flow of two-phase mixture is calculated by URANS for compressible fluid. The intensity of cavitation in a local field is evaluated by the volume fraction of gas phase varying with the mean flow, and the effect of cavitation on the flow turbulence is considered by applying a density correction to the evaluation of eddy viscosity. High-speed submerged water jets issuing from a sheathed sharp-edge orifice nozzle are treated when the cavitation number, ${\sigma}=0.1$, and the computation result is compared with experimental data The result reveals that cavitation occurs initially at the entrance of orifice and bubble cloud develops gradually while flowing downstream along the shear layer. Developed bubble cloud breaks up and then sheds downstream periodically near the sheath exit. The pattern of cavitation cloud shedding evaluated by simulation agrees experimental one, and the possibility to capture the unsteadily shedding of cavitation clouds is demonstrated. The decay of core velocity in cavitating jet is delayed greatly compared to that in no-activation jet, and the effect of the nozzle sheath is demonstrated.
The objective of this is to experimentally investigate the effect of mixed jet on the oxygen transfer characteristics with the primary nozzle area ratio of an annular nozzle ejector for the application of a microbial fuel cell. A direct visualization method with a high speed camera system was used to capture the horizontal mixed jet images, and a binarization technique was used to analyze the images. The clean water unsteady state technique was used for the oxygen transfer measurement. The air-water mixed jet discharging into a water tank behaved similar to a buoyancy or horizontal jet with the primary nozzle area ratio. It was found that an optimum primary nozzle area ratio was observed where the oxygen transfer performance reached its maximum value due to the decrease of air volume fraction and the increase of jet length and air bubble dispersion.
Weichao Li ;Zhaoming Meng;Jianchuang Sun;Weihua Cai ;Yandong Hou
Nuclear Engineering and Technology
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제55권6호
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pp.2011-2017
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2023
Gas submerged jet is an outstanding thermohydraulic phenomenon in pool scrubbing of fission products during a severe nuclear accident. Experiments were performed on the hydraulic characteristics in the ranges of air mass flux 0.1-1400 kg/m2s and nozzle diameter 10-80 mm. The results showed that the dependence of inlet pressure on the mass flux follows a power law in subsonic jets and a linear law in sonic jets. The effect of nozzle submerged depth was negligible. The isolated bubbling regime, continuous bubbling regime, transition regime, and jetting regime were observed in turn, as the mass flux increased. In the bubbling regime and jetting regime, the air volume fraction distribution was approximately symmetric in space. Themelis model could capture the jet trajectory well. In the transition regime, the air volume fraction distribution loses symmetry due to the bifurcated secondary plume. The Li correlation and Themelis model showed sufficient accuracy for the prediction of jet penetration length.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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