The objectives of the present study are to develop a systematic method rather than a conventional trial-and-error method for an optimal shape design using a mathematical theory, and to apply it to engineering problems. In the present study, an optimal condition for a minimum pressure loss in a two-dimensional curved duct flow is derived and then an optimal shape of the curved duct is designed from the optimal condition. In the design procedure, one needs to solve the adjoint Navier-Stokes equations which are derived from the Navier-Stokes equations and the cost function. Therefore, a computer code of solving both the Navier-Stokes and adjoint Navier-Stokes equations together with an automatic grid generation is developed. In a curved duct flow, flow separation occurs due to an adverse pressure gradient, resulting in an additional pressure loss. Optimal shapes of a curved duct are obtained at three different Reynolds numbers of 100, 300 and 800, respectively. In the optimally shaped curved ducts, the separation region does not exist or is significantly reduced, and thus the pressure loss along the curved duct is significantly reduced.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제25권1호
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pp.131-138
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2001
In this paper, an experimental investigation of characteristics of developing turbulent steady flows in a square-sectional $180^{\circ}$curved duct is presented. The experimental study using air in a square-sectional $180^{\circ}$ curved duct carryed out to measure axials direction velocity and wall shear stress distrbutions by using Laser Dopper Velocimeter(LDV) system with data acquistion and processing the system of FIND6260 softwere at 7 sections from the inlet($\phi=0^{\circ}$) to the outlet($\phi=180^{\circ}$) in $301^{\circ}$ intervals of a curved duct.
Hot-wire measurements were carried out on the developing turbulent flows subject to plane rate of strain in a rotating curved duct. The cross-section of the curved duct varies from 100mm${\times}$50mm rectangular shape at the bend inlet gradually to the 50mm${\times}$100mm rectangular shape at the bend outlet. Experimental setup consists of the test section of $90^{\circ}$ curved duct, rotating disc of 1.95m diameter, Ag-Ni precision slip ring, automatic traversing mechanism, variable speed motor, centrifugal blower, orifice flowmeter and hot-wire anemometer. Data signals from the rotating curved duct are transmitted through the slip ring to the computer which is located at the outside of the rotating disc. 3-dimensional velocity and 6 Reynold stresses components were obtained from the fluctuating and mean voltage measured by the slant type hot-wire probe rotating into 6 orientations. We investigate the effects of Coriolis and centrifugal forces on the turbulence structure.
The flow characteristics of developing unsteady laminar flow in a square-sectional $180^{\circ}$ curved duct are experimentally investigated by using laser doppler velocimerty (LDV) system with data acquisition and processing system of rotating machinery resolver(RMR) and PHASE software. The major flow characteristics of developing laminar pulsating flows are presented by mean velocity profilel velocity distribution of secondary flow, wall shear stress distributions, entrance lengths according to dimensionless angular frequency($\omega^+$), velocity amplitude ratio($A^1$), and time-averaged Dean number($De_ta$). The velocity profiles and wall shear stress distribution of laminar pulsating flow with dimensionlessangular frequency show the flow characteristics of the quasi-steady laminar flow in a curved duct. The developing region of laminar pulsatile flows in a square-sectional $180^{\circ}$ curved duct is extended to the curved duct angle of approximately $120^{\circ}$ under the present experimental condition.
A numerical study on the similarity of the developing laminar flows between in a straight duct rotating about an axis perpendicular to that of the duct and in a stationary curved duct was carried out. In order to clarify the analogy of two flows, dimensionless parameters K/sub LR/ = Re/(equation omitted) and Rossby number, Ro, in a rotating straight duct were used as a set corresponding to Dean number K/sub LC/ = Re/(equation omitted), and curvature ratio, λ, in a stationary curved duct. For the large values of Ro and λ, it is shown that the flow field satisfies the 'asymptotic invariance property', that is, there are strong quantitative similarities between the two flows such as flow patterns, friction factors, and maximum axial velocity magnitudes for the same values of K/sub LR/ and K/sub LC/ if they are correlated with dimensionless axial distances Z/sub R/ = z/(equation omitted) for a rotating duct flow and Z/sub C/ = z/(equation omitted) for a stationary curved duct flow.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제20권4호
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pp.81-89
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1996
In the present study, the unsteady in a square-selctional 180.deg. curved duct are experimentally investigated. The experimental study using air in a square-sectional 180.deg. curved duct is carried out to measure axial velocity distributions with data acquisition and processing system. In this system, Rotating Machinery Resolver(RMR) and PHASE Software are used to obtain the results of unsteady flows. In conclusion, the exact measurement of unsteady flow using LDV system depends upon uniformity of metreials, duct thickness, and scattered particles.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제23권4호
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pp.533-542
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1999
In this study the flow characteristics of developing turbulent pulsating flows in a square-sec-tional 180。 curved duct are investigated experimentally. The experimental study of air flow in a square-sectional curved duct is carried out to measure axial velocity distribution secondary flow velocity profiles and wall shear stress distributions by using a Laser Doppler Velocimetry system with the data acquisition and processing system of Rotating Machinery Resolver (RMR) and PHASE software at the entrance region of the duct which is divided into 7 sections from the inlet(${{\o}}=0_{\circ}$) to the outlet (${{\o}}=180_{\circ}$) in $30_{\circ}$ intervals. The results obtained from the study are summarized as follows: (1) The time-averaged critical Dean number of turbulent pulsating flow(De ta, cr) is greater than $75{\omega}+$ It is understood that the critical Dean number and the critical Reynolds number are related to the dimensionless angular frequency in a curved duct. (2) Axial velocity profiles of turbulent pulsating flows are of an annular type similar to those of turbulent stead flows. (3) Secondary flows of trubulent pulsating flows are strong and complex at the entrance region. As velocity amplitudes(A1) become larger secondary flows become stronger. (4) Wall shear stress distributions of turbulent pulsating flows in a square-sectional $180_{\circ}$ curved duct are exposed variously in the outer wall and are stabilized in the inner wall without regard to the phase angle.
Detached Eddy Simulation (DES) is performed for developing turbulent flow of the $270^{\circ}$ curved duct at a Reynolds number of 56,690. The curvature ratio on the basis of a centric radius $R_c$ and a duct height H is 3.357. Turbulence models adopted are k-$\omega$ model for Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) equation Simulation and Shear Stress Transport (SST) model for DES. DES is used as the hybrid computation technique combined with RANS-SST and Large Eddy Simulation (LES). Predicted results are compared with measured results including the distributions of Reynolds stresses and the flow characteristics on the symmetric plane of curved duct are presented. Judging from the comparison between the predicted and the measured results, the DES approach is applicable to calculate the developing turbulent flow in a $270^{\circ}$ curved duct.
The effect of curvature, rotation, variable cross-section can make very complex flow pattern in turbo-machinery such as Pumps, compressors, turbines, In this study of turbulent flow characteristics rotating $90^{\circ}$ curved duct under a Plane rate of strain condition is computationally analyzed. The objective of this study is to understand the complex turbulent flow phenomena in turbo-machinery passage by analyzing the modeled rotating $90^{\circ}$ curved duct flow. RSM(Reynolds Stress Model) was employed for the turbulence modeling of Reynolds stress in momentum equations proposed by Shin(1995). The three dimensional computational code which adopts RSM for trubulence modeling was newly developed for the generalized curvilinear coordinate.
A numerical study on a quantitative analogy of the fully developed flow between in a straight square duct rotating about an axis perpendicular to that of the duct and a stationary curved duct of square cross-section is carried out. In order to clarify the similarity of two turbulent flows, the dimensionless parameters $K_{TR} = Re^{1/4}/\sqrt{Ro}$ and the Rossby number, Ro, in a rotating straight duct flow were used as a set corresponding to $K_{TC} = Re^{1/4}/\sqrt{{\lambda}}$ and curvature ratio, ${\lambda}$, in a stationary curved duct flow so that they have the same dynamical meaning as $K_{LR} = Re/\sqrt{Ro}$ and $K_{LC} = Re/\sqrt{{\lambda}}$ of the fully developed laminar flows. For the large values of Ro or A, it is shown that the flow field satisfies the asymptotic invariance property: there are strong quantitative similarities between the two flows such as flow patterns and friction factors for the same values of $K_L$ and $K_T$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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