The characteristics of flow past a square cylinder submerged under the free surface have been numerically studied. An immersed boundary method was adopted for implementation of the cylinder cross-section in a Cartesian grid system. Also, a level-set method was used to capture the interface of the two fluids. The case for Reynolds number 150 was examined. At the specific Reynolds number, by varying the gap ratio(0.25, 0.40, 0.55, 0.70, 1.00, 1.50, 2.50, 5.00) the effects of the free surface on the force coefficients and Strouhal number of vortex shedding were identified. The presence of the free surface very close to the cylinder significantly affects the shedding pattern, resulting in considerable deviation of the force coefficients and Strouhal number from those of the single-phase flow. In addition, the influence of Froude number was considered in this study. By increasing Froude number(0.2-0.4), flow topology change was identified at the specific gap ratios(0.40, 0.70, 1.50, 5.00).
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.4
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pp.325-333
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2015
This study was devoted to elucidating the change in the flow characteristics of a laminar flow past a circular cylinder by modifying the cylinder shape with O-grooves. A numerical analysis was performed in a two-dimensional framework. The cylinder was represented using an immersed boundary method and marker particles on a Cartesian grid system. The number and locations of the O-grooves were the key parameters. An analysis of the flow pattern and flow-induced forces was performed at Re = 40 and 50. In addition, we calculated the critical Reynolds number depending on the number of O-grooves and their locations.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.28
no.7
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pp.293-298
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2016
A three-dimensional (3D) numerical model of the vertical ground-coupled heat exchanger is useful for analyzing the modern ground source heat pump system. Furthermore, a detailed description of the inner side of the exchanger allows to account for the effects of the thermal capacity. Thus, both methods are included in the proposed numerical model. For the ground portion, a FDM (Finite Difference Method) scheme has been applied using the Cartesian coordinate system. Cylindrical grids are applied for the borehole portion, and the U-tube configuration is adjusted at the grid, keeping the area and distance unchanged. Two sub-models are numerically coupled at each time-step using an iterative method for convergence. The model is validated by a reference 3D model under a continuous heat injection case. The results from a periodic heat injection input show that the proposed thermal capacity model reacts more slowly to the changes, resulting in lower borehole wall temperatures, when compared with a thermal resistance model. This implies that thermal capacity effects may be important factors for system controls.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.5
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pp.349-357
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2009
Effect of computational domain size in simulating of periodic obstacle flow has been investigated for the flow past tube banks. Reynolds number, defined by freestream velocity ($U_{\infty}$) and cylinder diameter (d), was fixed as 200, and center-to-center distance (P) as 1.5d. In-line square array and staggered square array were considered. Drag coefficient, lift coefficient and Strouhal number were calculated depending on domain size. Circular cylinders were implemented on a Cartesian grid system by using an immersed boundary method. Boundary condition is periodic in both streamwise and lateral directions. Previous studies in literature often use a square domain with a side length of P, which contains only one cylinder. However, this study reveals that the domain size is improper. Especially, RMS values of flow-induced forces are most sensitive to the domain size.
In this study, we consider the characteristics of channel flow in the presence of an infinite streamwise array of equispaced identical rotating circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall for some selected angular speeds. An immersed boundary method was employed to facilitate implementing the cylinders on a Cartesian grid system. No-slip condition is employed at all solid boundaries including the cylinders, and the flow is assumed to be periodic in the streamwise direction. The presence of the rotating circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to increase of mean friction on the channel walls. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of rotating cylinders to modify flow topology, which might be used to enhance heat transfer on the channel walls.
A multi-dimensional component for the thermal-hydraulic system analysis code, MARS, was developed for a more realistic three-dimensional analysis of nuclear systems. A three-dimensional and two-fluid model for a two-phase flow in Cartesian and cylindrical coordinates was employed. The governing equations and physical constitutive relationships were extended from those of a one-dimensional version. The numerical solution method adopted a semi-implicit and finite-difference method based on a staggered-grid mesh and a donor-cell scheme. The relevant length scale was very coarse compared to commercial computational fluid dynamics tools. Thus a simple Prandtl's mixing length turbulence model was applied to interpret the turbulent induced momentum and energy diffusivity. Non drag interfacial forces were not considered as in the general nuclear system codes. Several conceptual cases with analytic solutions were chosen and analyzed to assess the fundamental terms. RPI air-water and UPTF 7 tests were simulated and compared to the experimental data. The simulation results for the RPI air-water two-phase flow experiment showed good agreement with the measured void fraction. The simulation results for the UPTF downcomer test 7 were compared to the experiment data and the results from other multi-dimensional system codes for the ECC delivery flow.
A developed code is applied to simulate relative motion of floating bodies in a side-by-side arrangement, including effects of a fender and a hawser. The developed code is based on the flux-difference splitting scheme for immiscible incompressible fluids and the hybrid Cartesian/immersed boundary method. To validate the developed code for free surface flows around deforming boundaries, the water wave generation is simulated, which is caused by bed movement. The computed wave profile and time histories of wave elevation are compared with other experimental and computational results. The effects of a fender and a hawser are modeled by asymmetric force acting on the floating bodies according to a relative displacement with the bounds, in which the fender and the hawser exert no force on the bodies. It has been observed that the floating body can be accelerated by a gap flow due to a phase difference caused by the free surface. Grid independency is established for the computed time history of the body velocity, based on three different size grids.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.8
no.3
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pp.375-385
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1996
Turbulent flow and heat transfer characteristics around staggered tube banks were studied using the 3-D Navier-Stokes equations and energy equation governing a steady incompressible flow, which were reformulated in a non-orthogonal coordinate system with cartesian velocity components and discretized by the finite volume method with a non-staggered variable arrangement. The predicted turbulent kinetic energy using RNG $k-{\varepsilon}$ model was lower than that of standard $k-{\varepsilon}$ model but showed same result for mean flow field quantities. The prediction of the skin friction coefficient using RNG $k-{\varepsilon}$ model showed better trend with experimental data than standard $k-{\varepsilon}$ model result. The inclined flow showed higher velocity and skin friction coefficient than transverse flow because of extra strain rate ($\frac{{\partial}w}{{\partial}y}$). Also, this was why the inclined flow showed higher local heat transfer coefficient than the transverse flow.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.23
no.3
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pp.248-257
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2011
In the present study, we proposed a new numerical wave tank model to analyze the vertical tension-leg circular floating bodies, using a 2-D Navier-Stokes solver. An IBM(Immersed Boundary Method) capable of handling interactions between waves and moving structures with complex geometry on a standard regular Cartesian grid system is coupled to the VOF(Volume of Fluid) method for tracking the free surface. Present numerical results for the motions of the floating body were compared with existing experimental data as well as numerical results based on FAVOR(Fractional Area Volume Obstacle Representation) algorithm. For detailed examinations of the present model, the additional hydraulic experiments for floating motions and free surface transformations were conducted. Further, the versatility of the proposed numerical model was verified via the numerical and physical experiments for the general rectangular floating bodies. Numerical results were compared with experiments and good agreement was archived.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.51
no.4
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pp.265-273
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2014
Wave-body interaction is simulated using a developed code based on the flux-difference splitting scheme for immiscible and incompressible fluids and the hybrid Cartesian/immersed boundary method. A free surface is captured as a moving contact discontinuity within a fluid domain and an approximated Riemann solver is used to estimate the inviscid flux across the discontinuity. Immersed boundary nodes are identified inside an instantaneous fluid domain near a moving body, then dependent variables are reconstructed at those immersed boundary nodes based on interpolation along local normal lines to the boundary. Free surface flows around an oscillating cylinder are simulated and the computed wave elevations are compared with other reported results. The generation of a solitary wave by a moving wave-maker is simulated and the time histories of wave elevations at two different points are compared with other results. The developed code is applied to simulate body motion of an elastically mounted circular cylinder as a solitary wave passes the body. The force acting on an elastically mounted cylinder is compared with the force acting on a fixed cylinder. Grid independency of the computed body motion is established based on a comparison of results using three different-size grids.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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