This paper presents numerical results of fluid flows and mixing in a microfluidic device for AC electroosmotic flow (AC-EOF) with coplanar electrodes on top and bottom walls. Differently from previous EOF a channel which attached a couple of coplanar electrodes can be utilized to mix a target liquid with a reagent. In this study we propose a method of controlling fluid flows and mixing enhancement. To obtain the flow and mixing characteristics, numerical computations are performed by using a commercial code, CFX10. It was found that the flow near the coplanar electrodes is of 3-D complex flows and vortices between the other electrodes, and as a consequence the AC-electroosmotic flow on the electrodes plays an important role in mixing the liquid.
Two-dimensional multiphase flows due to density difference such as the Rayleigh-Taylor instability problem and the droplet splash are simulated by an in-house solution code(PowerCFD). This code employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with interface capturing method in a volume of fluid(VOF) scheme for phase interface capturing. The present results are compared with other numerical solutions found in the literature. It is found that the present code simulates complex free surface flows such as multiphase flows due to density difference efficiently and accurately.
A general purpose program NUFLEX has been extended for two-phase flows with topologically complex interface and cavitation flows with liquid-vapor phase change caused by large pressure drop. In analysis of two-phase flow, the phase interfaces are tracked by employing a LS(Level Set) method. Compared with the VOF(Volume-of-Fluid} method based on a non-smooth volume-fraction function, the LS method can calculate an interfacial curvature more accurately by using a smooth distance function. Also, it is quite straightforward to implement for 3-D irregular meshes compared with the VOF method requiring much more complicated geometric calculations. Also, the cavitation process is computed by including the effects of evaporation and condensation for bubble formation and collapse as well as turbulence in flows. The volume-faction and continuity equations are adapted for cavitation models with phase change. The LS and cavitation formulation are implemented into a general purpose program for 3-D flows and verified through several test problems.
An immersed boundary method for simulation of density-stratified flows is developed and applied to computation of viscous flows over two-dimensional obstacles in a bounded domain under stable density stratification. Density sources/sinks are introduced on the body surface. Two obstacle shapes are used, a vertical barrier and a smooth cosine-shaped hill; weak stratification, defined by $K=ND/{\pi}U{\leq}1$, where U, N, and D are the upstream velocity, buoyancy frequency, and domain height, respectively, is considered. The results are consistent with other authors' calculations, and shed light on computation of density-stratified flows in complex geometries.
Separated flows passed complex geometries are modeled by discrete vortex techniques. The flows are assumed to be rotational and inviscid, and a new techlnique is described to determine the stream functions for linear shear profiles. The geometries considered are the snow cornice and the backward-facing step, whose edges allow for the separation of the flow and reattachment downstream of the recirculation regions. A point vortex has been added to the flows in order to constrain the separation points to be located at the edges, while the conformal mappings have been modified in order to smooth the sharp edges and to let the separation points free to oscillate around the points of maximum curvature. Unsteadiness is imposed to the flow by perturbing the vortex location, either by displacing the vortex from the equilibrium, or by imposing a random perturbation with zero mean to the vortex in equilibrium. The trajectories of passive scalars continuously released upwind of the separation point and trapped by the recirculating bubble are numerically integrated, and concentration time series are calculated at fixed locations downwind of the reattachment points. This model proves to be capable of reproducing the trapping and intermittent release of scalars, in agreement with the simulation of the flow passed a snow cornice performed by a discrete multi-vortex model, as well as with direct numerical simulations of the flow passed a backward-facing step. The results of simulation indicate that for flows undergoing separation and reattachment the unsteadiness of the recirculating bubble is the main mechanism responsible for the intense large-scale concentration fluctuations downstream.
The important problems that arise in the design and performance of the axial flow turbine are the prediction and control of secondary flows. Some progresses have been made on understanding flow conditions that occur when the inlet endwall boundary layer separates at the point in the endwall and rolls up into the horseshoe vortex. And the flows though an axial turbine tend to be extremely complex due to its inherent unsteady and viscous phenomena. The passing wakes generated from the trailing edge of the stator make an interaction with the rotor. Unsteady flow should be considered rotor/stator interactions. The main purpose of this research is control of secondary flow and improvement efficiency in turbine by leading edge modification in unsteady state. When the wake from the stator ran into the modified leading edge of the rotor, the leading edge generated the weak pressure fluctuation by complex passage flows. In conclusion, leading edge modification(bulb2) results in the reduced total pressure loss in the flow field.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.7
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pp.1030-1040
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1998
One of the main unresolved issues in large-eddy simulation(LES) of wall-bounded turbulent flows is the requirement of high spatial resolution in the near-wall region, especially in the spanwise direction. Such high resolution required in the near-wall region is generally used throughout the computational domain, making simulations of high Reynolds number, complex-geometry flows prohibitive. A grid-embedding strategy using a nonconforming spectral domain-decomposition method is proposed to address this limitation. This method provides an efficient way of clustering grid points in the near-wall region with spectral accuracy. LES of transitional and turbulent channel flow has been performed to evaluate the proposed grid-embedding technique. The computational domain is divided into three subdomains to resolve the near-wall regions in the spanwise direction. Spectral patching collocation methods are used for the grid-embedding and appropriate conditions are suggested for the interface matching. Results of LES using the grid-embedding strategy are promising compared to LES of global spectral method and direct numerical simulation. Overall, the results show that the spectral domain-decomposition grid-embedding technique provides an efficient method for resolving the near-wall region in LES of complex flows of engineering interest, allowing significant savings in the computational CPU and memory.
The flows through a turbomachinery tend to be extremely complex due to its inherent unsteady and viscous phenomena. A good analysis of the flows associated with rotor/stator interactions in turbomachinery will be great help in design stage. In this investigation, unsteady viscous flow structurts through one and half stage of UTRC large scale rotating axial turbine are analysed. The numerical data was compared with experimental data and showed good agreement.
Experimental methods for making quantitative measurements of velocity fields in non-Newtonian fluids are reviewed. Techniques based on light scattering spectroscopy - laser Doppler velocimetry and homodyne light scattering spectroscopy, techniques based on imaging the displacement of markers - including particle image velocimetry and molecular tagging velocimetry, and techniques based on nuclear magnetic resonance imaging are discussed. The special advantages and disadvantages of each method are summarized, and their applications to non-Newtonian flows are briefly reviewed. Example data from each technique are also included.
Using the axial Green's function method for Steady Stokes flows, we introduce a new pressure correction formula to satisfy the incompressibility condition, in which the pressure is related to the integral of the second order derivatives of the velocity. Based on this formula, we propose the iterative method for solving the Stokes flows in complicated domains. Even if the domain is complex, this method maintains the second order of convergence for the velocity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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