Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.408-413
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2004
Numerical and experimental investigation were car-ried out to clarify the flow structure of underexpanded jet from a square nozzle. The square nozzle rep-resents one of the clustered combustors of a linear aerospike engine. From the numerical results, the three-dimensional shock wave of the underexpanded square jet was found to be composed of two shocks. One is the intercepting shock which corresponds to the shock observed in two-dimensional planar jet. The other is the recompression shock divided into two types. The expansion fans coming from the nozzle edges interact with each other at the comers of the nozzle exit, and overexpanded regions are generated. Therefore one of the two recompression shocks is formed at the comers of the nozzle exit behind the overexpanded regions. As the jet goes downstream, the overexpanded regions grow larger to coalesce at the symmetry planes. Then, the other type of the recompression shock is generated. The three-dimensional shock structure formed by the intercepting shock and the recompression shocks dominates the expansion of the jet boundary. The shock detection algorithm us-ing CFD results was developed to reveal the relation between the shock waves and the jet boundary, and it was found that the cross-sectional jet shape becomes cross-shape. The key features observed in the numerical investigation were verified by the experimental results. The shock structure at the diagonal plane was in good agreement with the experimental schlieren images. Moreover, the cross-sections visualized by the Mie scattering method confirmed that the cross-section of the jet becomes cross-shape.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.165-172
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2004
LE-7A is the main engine of the H-IIA launch vehicle. Under its development, the nozzle suffered from two troubles during startup and shutdown transients of the engine. One is a large side load, which damages the actuator of the nozzle, and the other is damage on regenerative cooling tubes due to high heat load. It has been considered that these problems are caused by a peculiar separation pattern called Restricted Shock Separation (RSS). RSS is observed in several rocket nozzles, for example, LE-7A nozzle, Vulcain nozzle and so on. Their contours are not conventional truncated perfect (TP) nozzle - LE-7A nozzle is a compressed truncated perfect (CTP) nozzle and Vulcain nozzle is a thrust optimized (TO) nozzle. Although it is believed that the occurrence of RSS is affected by the nozzle contour, the mechanisms are not clarified sufficiently yet. In the present paper, a parametric numerical study is carried out to investigate the mechanisms of the occurrence of RSS in CTP nozzles during startup transient. The results show that RSS is caused by the adverse pressure gradient downstream of the Mach disk. The adverse pressure gradient is caused by the interaction of the pressure wave and Mach disk. The method to avoid the occurrence of RSS is also examined. A small step inside the nozzle affects the position of the separation point and prevents RSS. The result shows that the possibility that RSS can be suppressed by controlling the position of the separation point.
At present the most popular turbulence models used for engineering solutions to flow problems are the $k-{\varepsilon}$ and Reynolds stress models. The shortcoming of these models based on the isotropic eddy viscosity concept and Reynolds averaging in flow fields of the type found in the field of Wind Engineering are well documented. In view of these shortcomings this paper presents the implementation of a non-linear model and its evaluation for flow around a building. Tests were undertaken using the classical bluff body shape, a surface mounted cube, with orientations both normal and skewed at $45^{\circ}$ to the incident wind. Full-scale investigations have been undertaken at the Silsoe Research Institute with a 6 m surface mounted cube and a fetch of roughness height equal to 0.01 m. All tests were originally undertaken for a number of turbulence models including the standard, RNG and MMK $k-{\varepsilon}$ models and the differential stress model. The sensitivity of the CFD results to a number of solver parameters was tested. The accuracy of the turbulence model used was deduced by comparison to the full-scale predicted roof and wake recirculation zone lengths. Mean values of the predicted pressure coefficients were used to further validate the turbulence models. Preliminary comparisons have also been made with available published experimental and large eddy simulation data. Initial investigations suggested that a suitable turbulence model should be able to model the anisotropy of turbulent flow such as the Reynolds stress model whilst maintaining the ease of use and computational stability of the two equations models. Therefore development work concentrated on non-linear quadratic and cubic expansions of the Boussinesq eddy viscosity assumption. Comparisons of these with models based on an isotropic assumption are presented along with comparisons with measured data.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.17
no.6
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pp.89-96
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2013
Considering the complexity and difficulty on the researching, how to enhance the performance of ejector-diffuser system effectively became a significant task. In the present study, the supersonic nozzle was redesigned using Chevrons installed at the inlet of the secondary stream of the ejector-diffuser system for the purpose of the performance improvement. A CFD method based on Fluent has been applied to simulate the supersonic flows and shock waves inside the ejector. Primary numerical analysis results show that the Chevrons get a positive effect on the ejector flows. The comparison of ejector performance with and without the Chevron was obtained and optimal number of chevron lobe is discussed to increase the performance. The ejector-diffuser system performance is discussed in terms of the entrainment ratio, pressure recovery as well as total pressure loss.
In the strong wind shutdown state, the blade position significantly affects the streaming behavior and stability performance of wind turbine towers. By selecting the 3M horizontal axis wind turbine independently developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics as the research object, the CFD method was adopted to simulate the flow field of the tower-blade system at eight shutdown positions within a single rotation period of blades. The effectiveness of the simulation method was validated by comparing the simulation results with standard curves. In addition, the dynamic property, aerostatic response, buckling stability and ultimate bearing capacity of the wind turbine system at different shutdown positions were calculated by using the finite element method. On this basis, the influence regularity of blade shutdown position on the wind-induced response and stability performance of wind turbine systems was derived, with the most unfavorable working conditions of wind-induced buckling failure of this type of wind turbines concluded. The research results implied that within a rotation period of the wind turbine blade, when the blade completely overlaps the tower (Working condition 1), the aerodynamic performance of the system is the poorest while the aerostatic response is relatively small. Since the influence of the structure's geometrical nonlinearity on the system wind-induced response is small, the maximum displacement only has a discrepancy of 0.04. With the blade rotating clockwise, its wind-induced stability performance presents a variation tendency of first-increase-then-decrease. Under Working condition 3, the critical instability wind speed reaches its maximum value, while the critical instability wind speed under Working condition 6 is the smallest. At the same time, the coupling effect between tower and blade leads to a reverse effect which can significantly improve the ultimate bearing capacity of the system. With the reduction of the area of tower shielded by blades, this reverse effect becomes more obvious.
Aly, Aly Mousaad;Chowdhury, Arindam Gan;Bitsuamlak, Girma
Wind and Structures
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v.14
no.4
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pp.285-300
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2011
Researchers at the International Hurricane Research Center (IHRC), Florida International University (FIU), are working in stages on the construction of a large state-of-the-art Wall of Wind (WoW) facility to support research in the area of Wind Engineering. In this paper, the challenges of simulating hurricane winds for the WoW are presented and investigated based on a scale model study. Three wind profiles were simulated using airfoils, and/or adjustable planks mechanism with and without grids. Evaluations of flow characteristics were performed in order to enhance the WoW's flow simulation capabilities. Characteristics of the simulated wind fields are compared to the results obtained from a study using computational fluid dynamics (CFD) and also validated via pressure measurements on small-scale models of the Silsoe cube building. Optimal scale of the test model and its optimal distance from the WoW contraction exit are determined - which are two important aspects for testing using an open jet facility such as the WoW. The main objective of this study is to further the understanding of the WoW capabilities and the characteristics of its test section by means of intensive tests and validations at small scale in order to apply this knowledge to the design of the full-scale WoW and for future wind engineering testing.
Thunderstorm downbursts are responsible for numerous structural failures around the world. The wind characteristics in thunderstorm downbursts containing vortex rings differ with those in 'traditional' boundary layer winds (BLW). This paper initially performs an unsteady-state simulation of the flow structure in a downburst (modelled as a impinging jet with its diameter being $D_{jet}$) using a computational fluid dynamics (CFD) method, and then analyses the pressure distribution on a solar updraft tower (SUT) in the downburst. The pressure field shows agreement with other previous studies. An additional pair of low-pressure region and high-pressure region is observed due to a second vortex ring, besides a foregoing pair caused by a primary vortex ring. The evolutions of pressure coefficients at five orientations of two representative heights of the SUT in the downburst with time are investigated. Results show that pressure distribution changes over a wide range when the vortices are close to the SUT. Furthermore, the fluctuations of external static pressure distribution for the SUT case 1 (i.e., radial distance from a location to jet center x=$D_{jet}$) with height are more intense due to the down striking of the vortex flow compared to those for the SUT case 2 (x=$2D_{jet}$). The static wind loads at heights z/H higher than 0.3 will be negligible when the vortex ring is far away from the SUT. The inverted wind load cases will occur when vortex is passing through the SUT except on the side faces. This can induce complex dynamic response of the SUT.
A full-sized model for the horizontally oriented metal cask containing 21 spent fuel assemblies has been considered to evaluate the internal natural convection behavior within a dry shield canister (DSC) filled with helium as a working fluid. A variety of two-dimensional CFD numerical investigations using a turbulent model have been performed to evaluate the heat transfer characteristics and the velocity distribution of natural convection inside the canister. The present numerical solutions for a range of Rayleigh number values ($3{\times}10^6{\sim}3{\times}10^7$) and a working fluid of air are further validated by comparing with the experimental data from previous work, and they agreed well with the experimental results. The predicted temperature field has indicated that the peak temperature is located in the second basket from the top along the vertical center line by effects of the natural convection. As the Rayleigh number increases, the convective heat transfer is dominant and the heat transfer due to the local circulation becomes stronger. The heat transfer characteristics show that the Nusselt numbers corresponding to $1.5{\times}10^6$ < Ra < $1.0{\times}10^7$ are proportional to 0.5 power of the Rayleigh number, while the Nusselt numbers for $1.0{\times}10^7$ < Ra < $8.0{\times}10^7$ are proportional to 0.27 power of the Rayleigh number. These results agreed well with the trends of the experimental data for Ra > $1.0{\times}10^7$.
Control valves are widely used to regulate fluid flux in nuclear power plants, and there are more than 1500 control valves in the primary circuit of one nuclear power plant. With their help, the flux can be regulated to a specific level of water or steam to guarantee the energy efficiency and safety of the nuclear power plant. The flux characteristics of the control valve mainly depend on the valve core shape. In order to analyze the effects of valve core shapes on flux characteristics of control valves, this paper focuses on the valve core shapes. To begin with, numerical models of different valve core shapes are established, and results are compared with the ideal flux characteristics curve for the purpose of validation. Meanwhile, the flow fields corresponding to different valve core shapes are investigated. Moreover, relationships between the valve core opening and the outlet flux under different valve core shapes are carried out. The flux characteristics curve and equation are proposed to predict the outlet flux under different valve core openings. This work can benefit the further research of the flux control and the optimization of the valve core for control valves in nuclear power plants.
Wind-induced vibration is a phenomenon that a struture is oscillated due to wind force such as buffeting, vortex shedding wake and etc., which is one of important characteristics to be considered for design in case that stack has significant slenderness ratio or low natural frequency. International design standards of stack define several criteria for evaluating the suitability of stack design, which describe the required design considerations for each range of design parameters and provide the instruction to verify the stack design against wind-induced vibration simply. However, there is a limitation that they cannot provide quantitative information in case code requirement cannot be satisfied due to constraints of plant space or economical design. In order to overcome the limiation of code, integrated numerical analysis of computational fluid dynamics, harmonic analysis and finite element analysis were proposed to investigate wind-induced vibration for multiple stacks in actual plant. Simulated results of mutual wake interference effect between adjacent stacks were evaluated and compared to the criteria in international standards.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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