An experimental study was carried out to investigate the effect of local ultrasonic forcing on a turbulent boundary layer. Stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) was used to probe the characteristics of the flow. A ultrasonic forcing system was made by adhering six ultrasonic transducers to the local flat plate. Cavitation which generates uncountable minute air-bubbles having fast wall normal velocity occurs when ultrasonic was projected into water. The SPIV results showed that the wall normal mean velocity is increased in a boundary layer dramatically and the streamwise mean velocity is reduced. The skin friction coefficient (C$_{f}$) decreases 60$\%$and gradually recovers at the downstream. The ultrasonic forcing reduces wall-region streamwise turbulent intensity, however, streamwise turbulent intensity is increased away from the wall. Wall-normal turbulent intensity is almost the same near the wall but it increases away from the wall. In the vicinity of the wall, Reynold shear stress, sweep strength and production of turbulent kinetic energy were decreased. This suggests that the streamwise vortical structures are lifted by ultrasonic forcing and then skin friction is reduced.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.52
no.4
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pp.305-314
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2015
In this paper, a numerical analysis is carried out to study the drag of conical cavitators, supercavity generation devices for the high-speed underwater vehicle. The realizable k-∊ turbulence model and the Schnerr-Sauer cavitation model are applied to calculate steady-state supercavitating flows around cones of various cone angles. The calculated drags of the cones are decomposed of the pressure and the friction parts and their dependency on the geometry and the flow conditions have been analyzed. It is confirmed that the pressure drag coefficients of the cones can be estimated by a simple function of both the cone angle and the cavitation number while the friction drag coefficients approximately by well-known empirical formulas, e.g., Schults-Grunow's for the drag of the flat plate. Finally a practical method for estimating the total drags of supercavitating cones is suggested, which can be useful consequently for the design of conical cavitaors.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.25
no.6
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pp.795-801
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2019
The aim of this study was to investigate the possibility of the skin-friction reduction by vortex control. A vortical system such as a horseshoe vortex, a hairpin vortex, and a wake region was induced around a hemisphere attached on a Perspex flat plate in the circulating water channel. Hairpin vortices were developed from the wake region and horseshoe vortices were formed by an adverse pressure gradient in front of the hemisphere. The horseshoe vortices located on the flank of the hemisphere induced a high momentum flow in the wake region by the direction of their vorticity. This process increased the frequency of the hairpin vortices as well as the frictional drag on the surface of the wake region. To reduce the skin-friction drag, suction control in front of the hemisphere was applied through a hole. Flow visualization was performed to optimize the free-stream velocity, size of the hemisphere, and size of the suction hole. Once the wall suction control mitigated the strength of the horseshoe vortex, the energy supplied to the wake region was reduced, causing the frequency of the hairpin vortex generation to decrease by 36.4 %. In addition, the change in the skin-friction drag, which was measured with a dynamometer connected to a plate in the wake region, also decreased by 2.3 %.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.5
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pp.1304-1312
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1993
The buoyancy effects on mixed convection heat transfer over a flat plate surface with unheated starting length is reported. The governing equations are solved by a finite difference method using Patankar scheme and the solution was numerically obtained for various mixed convection parametr $Gr_{x}/Re_{x}^3$, and Prandtl number of 0.7 Local heat flux was measured by using Schilieren Interferometer. The local heat transfer results show that the presence of the unheated starting length can significantly accentuate the effects of buoyancy. The degree of accentuation of the buoyancy effects is strongly influenced by the magnitude of $Gr_{x}/Re_{x}^3$. When the parameter is larger than the order of $10^{-3}$, the contribution of natural convection to the heat transfer coefficients increased significantly due to the unheated starting length. In contrast, when $Gr_{x}/Re_{x}^3$ is smaller then about $10^{-5}$ , the buoyancy contribution is essentially unaffected by the unheated starting length. The shape of the velocity profile is also found to be highly responsive to the interaction between the buoyancy and the starting length.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.5
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pp.647-655
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2010
In this paper, a numerical study is carried out for super-pipe, flat plate and axisymmetric body flows to investigate a validity of using wall function and high $y_1^+$ in calculation of high Reynolds number flow. The velocity profiles in boundary layer agree well with the law of the wall. And it is found that the range of $y^+$��which validated the logarithmic law of the wall grows with increasing Reynolds number. From the result, an equation is suggested that can be used to estimate a maximum $y^+$ value of validity of the log law. And the slope(1/$\kappa$) of the log region of the numerical result is larger than that of experimental data. On the other hand, as $y_1^+$ is increasing, both the friction and the pressure resistances tend to increase finely. When using $y_1^+$ value beyond the range of log law, the surface shear stress shows a significant error and the pressure resistance increases rapidly. However, when using $y_1^+$ value in the range, the computational result is reasonable. From this study, the use of the wall function with high value of $y_1^+$ can be justified for a full scale Reynolds number ship flow.
Kim, Dong-Hyun;Jeon, Gyu-Mok;Park, Jong-Chun;Shin, Myung-Soo
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.58
no.1
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pp.1-9
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2021
In the present study, the model-scale Propeller Open Water (POW) tests for the propeller of 176K bulk carrier and 8600TEU container ship were conducted through Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. In order to solve the incompressible viscous flow field, the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RaNS) equations were employed as the governing equations. The γ-Reθ(gamma-Re-theta) transition model combined with the SST k-ωturbulence model was introduced to describe the laminar-turbulence transition considering the low Reynolds number of model-scale. Firstly, the flow simulation developing over a flat plate was performed to verify the transition modeling, in which the wall shear stresses were compared with experiments and other numerical results. Then, to investigate the effect of the model, the CFD simulation for the POW test was performed and the simulated propeller performance was validated through comparison with the experiment conducted at Korea Research Institute of Ships & Ocean Engineering (KRISO).
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.8
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pp.945-956
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1999
This work reports a set of approximate analytical solutions describing the initial transient process of close-contact melting between a rectangular parallelepiped solid and a flat plate on which either constant temperature or constant heat flux is imposed. Not only relative motion of the solid block tangential to the heating plate, but also the density difference between the solid and liquid phase is incorporated in the model. The thin film approximation reduces the force balance between the solid weight and liquid pressure, and the energy balance at the melting front into a simultaneous ordinary differential equation system. The normalized model equations admit compactly expressed analytical solutions which include the already approved two-dimensional solutions as a subset. In particular, the normalized liquid film thickness is independent of all pertinent parameters, thereby facilitating to define the transition period of close-contact melting. A unique behavior of the solid descending velocity due to the density difference is also resolved by the present solution. A new geometric function which alone represents the three-dimensional effect is introduced, and its properties are clarified. One of the representative results is that heat transfer is at least enhanced at the expense of the increase in friction as the cross-sectional shape deviates from the square under the same contact area.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.6
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pp.389-395
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2009
A specially designed flat plate was mounted vertically over the axial line in the wind tunnel of the Pusan National University. Strain balances were mounted in the trailing part of the plate to measure the skin friction drag over removable insertions of $0.55{\times}0.25m^2$ size. A set of the insertions was designed and manufactured: 3 mm thick polished metal surface and three compliant surfaces. The compliant surfaces were manufactured of a silicone rubber Silastic$^{(R)}$ S2 (Dow Corning company). To modify the viscoelastic properties of the rubber, its composition was varied: 90% rubber + 10% catalyst (standard), 92.5% + 7.5% (weak), 85% + 15% (strong). Modulus of elasticity and the loss factor were measured accurately for these materials in the frequency range from 40 Hz to 3 kHz. The aging of the materials (variation of their properties) for the period of one year was documented as well. Along with the drag measurement using the strain balance, velocity and pressure were measured for different coating. The strong compliant coating achieved 5% drag reduction within a velocity range $20{\sim}40$ m/s while standard and weak coatings increased drag reduction.
This paper represents a numerical study of the flow field due to the interactions between a pair of vortices produced by vortex generators in a rectangular channel flow. In order to analyze longitudinal vortices induced by the vortex generators, the pseudo-compressibility method is introduced into the Reynolds-averaged Navier-Strokes equations of a 3-dimensional unsteady, incompressible viscous flow. A two-layer $k-{\epsilon}$ turbulence model is applied to a flat plate 3-dimensional turbulence boundary to predict the flow structure and turbulence characteristics of the vortices. The computational results predict accurately the vortex characteristics related to the flow field, the Reynolds shear stresses and turbulent kinetic energy. Also, in the prediction of skin friction characteristics the computational results are reasonably close to those of the experiment obtained from other researchers.
A numerical study is performed to investigate the interaction between subsonic axial turbine blade boundary layer and periodically oncoming rotor induced wakes. An implicit scheme for solving the compressible Navier-Stokes equation is developed, which adopts a 4th-order compact difference for spatial discretiztion, a 2nd order Crank-Nicolson scheme for temporal discretization and the dynamic eddy viscosity model as the subgrid scale model. The efficiency and the accuracy of the proposed method are verified by applying to some benchmark problems such as laminar cylinder flow, laminar airfoil cascade flow and a transitional flat plate boundary layer flow. Computational results show good agreements with previous experimental and numerical results. Finally, flow through a stator cascade is simulated at $Re = 7.5{\times}10^5$ without free-stream turbulence intensity. The velocity fields and skin friction coefficients in the transitional region show similar trends with previous boundary layer natural transition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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