The present study addresses the flow characteristics involved in the self-induced oscillations of the underexpanded jet impinging upon a cylindrical body. Both experiment and computational analysis are carried out to elucidate the shock motions of the self-induced oscillations and to find the associated major flow factors. The underexpanded sonic jet is made from a nozzle and a cylindrical body is placed downstream to simulate the impinging jet upon an obstacle. The computational analysis using TVD scheme is applied to solve the axisymmetric, unsteady, inviscid governing equations. A Schlieren system is employed to visualize the self-induced oscillations generated in flow field. The data of the shock motions are obtained from a high-speed video system. The detailed characteristics of the Mach disk oscillations and the resulting pressure variations are expatiated using the time dependent data of the Mach disk positions. The mechanisms of the self-induced oscillations are discussed in details based upon the experimental and computational results.
Tian, Chenling;Liu, Mingyue;Xiao, Longfei;Lu, Haining;Wang, Jin
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.599-616
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2021
The semi-submersible with three circular columns is an original concept of efficient multifunctional platform, which can be used for marginal oil, gas field, and Floater of Wind Turbines (FOWT). However, under certain flow conditions, especially in uniform current with specific velocities, the eddies will alternatively form and drop behind columns, resulting in the fluctuating lift force and drag force. Consequently, the semi-submersible will subject to the Flow-Induced Motions (FIM). Based on the Detached Eddy Simulation (DES) method, the numerical studies were carried out to understand the FIM characteristics of the three-column semi-submersible at two different parameters, i.e., current incidences (0°, 30°, and 60°-incidences) and reduced velocities (4 ≤ Ur ≤ 14). The results indicate that the lock-in range of 6 ≤ Ur ≤ 10 for the transverse motions is presented, and the largest transverse non-dimensional nominal amplitude is observed at 60°-incidence, with a value of Ay/D = 0:481. The largest yaw amplitude Ayaw is around 3.0° at 0°-incidence in the range of 8 ≤ Ur ≤ 12. The motion magnitude is basically the same as that of a four-column semi-submersible. However, smaller responses are presented compared to those of the three-column systems revealing the mitigation effect of the pontoon on FIM.
We present an experimental framework to analyze the physical reactions and causal factors of Visually Induced Motion Sickness (VIMS) using electroencephalography (EEG) signals and vital signs. We studied eleven subjects who are voluntarily participated in the experiments and conducted online and offline surveys. In order to simulate videos including global motions that could cause the motion sickness, we extracted global motions by optical flow estimation method from hand-held captured video recordings containing intense motions. Then, we applied the extracted global motions to our test videos with action movies and texts. Each genre of video includes three levels of different motions depending on its intensity. EEG signal and vital sign that were measured by a portable electrocorticography device and an electronic monometer in real time while the subjects watch the videos including ones with the extracted motions. We perform an analysis of the EEG signals using Distance Map(DM) calculated by correlation among each channel of brain signal. Analysis using the vital signs and the survey results is also performed to obtain relationship between the VIMS and causal factors. As a result, we clustered subjects into three groups based on the analysis of the physical reaction using the DM and the correlation between vital sign and survey results, which shows high relationships between the VIMS and the intensity of motions.
It is well known that organized vortex rotations swirl and tumble greatly affect the mixing, the combustion and heat transfer processes in engine cylinder. We have developed 3 dimensional numerical simulation codes whose predictions make good agreement with the experimental data. Large eddy simulation based on Smagorinsky subgrid scale model was adopted to describe the turbulence of in-cylinder flows. The tumble motions generated by different inclination angles between valve-port and cylinder head have been calculated. The results show that the angles between direction of induced flow and cylinder walls which the flow collides with play a great role in the formation and generation of tumble motions. Therefore, it is inferred that seat angle and inclination angle are important factors of engine design. In addition, the numerical results of different engine speed -1000 rpm and 3000 rpm are very similar in the flow structure.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.12
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pp.977-982
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2009
Direct numerical simulation (DNS) of a turbulent boundary layer with moderate Reynolds number was performed to scrutinize streamwise-coherence of hairpin packet motions. The Reynolds number based on the momentum thickness (${\theta}_{in}$) and free-stream velocity (U${\infty}$) was varied in the range $Re_{\theta}$=1410${\sim}$2540 which was higher than the previous numerical simulations in the turbulent boundary layer. In order to include the groups of hairpin packets existing in the outer layer, large computational domain was used (more than 50${\delta}_o$, where ${\theta}_o$ is the boundary layer thickness at the inlet in the streamwise domain). Characteristics of packet motions were investigated by using instantaneous flow fields, two-point correlation and conditional average flow fields in xy-plane. The present results showed that a train of hairpin packet motions was propagating coherently along the downstream and these structures induced the very large-scale motions in the turbulent boundary layer.
Kim, Dong-Hyun;Park, Young-Min;Lee, In;Kwon, O-Jun
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.675-680
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2001
In this study, a fluid/structure coupled analysis system using computational fluid dynamics and computational structural dynamics has been developed. The unsteady flow fields are predicted using unstructured Euler code. Coupled time-integration method (CTIM) was applied to computer simulation of the flow-induced vibration phenomena. To investigate the interaction effect of shock motions, 2-DOF airfoil systems have been studied in the subsonic and transonic flow region. Also, aeroelastic analyses for the airfoil with an arbitrary object are performed to show the analysis capability and interference effects for the complex geometries. The present results show the flutter stabilities and characteristics of aeroelastic responses with moving shock effects.
Oscillating motions of flexible cylinders are associated to some extent with the aerodynamic response of plants. Tandem motions of reeds with flexible stems in a colony are experimentally investigated using an array of flexible cylinders made of polydimethylsiloxane (PDMS). Consecutive images of flexible cylinders subjected to oncoming wind are recorded with a high-speed camera. To quantify oscillating motions, the average bending angle and displacement of flexible cylinders are evaluated using point-tracking method and spectral analysis. The tandem motions of flexible cylinders are closely related to the flow characteristics around the cylinders. Thus, the dynamic motions of a tandem arrangement of flexible cylinders are investigated with varying numbers of cylinders arranged in-line, numbers of cylinders in a group (behaving like a single body), and Reynolds numbers (Re). When the number of cylinders in a group increases, the damping effect caused by the support of downstream cylinders is pronounced. These results would be provide useful information on the tandem-arranged design of complex structures and energy harvesting devices.
Kim, Shin-Woong;Lee, Seung-Jae;Park, Cheol-Young;Kang, Donghoon
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.8
no.4
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pp.330-343
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2016
This paper presents results of an experimental investigation of vortex-induced vibration (VIV) of a flexibly mounted and rigid cylinder with two-degrees-of-freedom with respect to varying ratio of in-line natural frequency to cross-flow natural frequency, $f^*$, at a fixed low mass ratio. Combined in-line and cross-flow motion was observed in a sub-critical Reynolds number range. Three-dimensional displacement meter and tension meter were used to measure dynamic responses of the model. To validate the results and the experiment system, x and y response amplitudes and ratio of oscillation frequency to cross-flow natural frequency were compared with other experimental results. It has been found that the higher harmonics, such as third and more vibration components, can occur on a certain part of steel catenary riser under a condition of dual resonance mode. In the present work, however, due to the limitation of a size of circulating water channel, the whole test of a whole configuration of the riser at an adequate scale for VIV phenomenon was not able to be conducted. Instead, we have modeled a rigid cylinder and assumed that the cylinder is a part of steel catenary riser where the higher harmonic motions could occur. Through the experiment, we have found that even though the cylinder was assumed to be rigid, the occurrence of the higher harmonic motions was observed in a small reduced velocity ($V_r$) range, where the influence of the in-line response is relatively large. The transition of the vortex shedding mode from one to another was examined by using time history of x and y directional displacement over all experimental cases. We also observed the influence of in-line restoring force power spectral density with $f^*$.
Application of proper orthogonal decomposition (POD) and continuous wavelet transform (CWT) is introduced to study wind speed and building roof pressures of flow separation region. In this study, a detailed analysis of the approach wind flow, wind-induced building pressure and the relation between the two fields was carried out using the POD technique and CWT analysis. The results show potential of the application of POD and CWT in characterization of spatio-temporal and spectral properties of the approach wind and its induced dynamic pressure events. Some of findings resulting from the application of this analysis can be summarized as follows: (1) The POD first principal coordinate of the roof pressure in the separated shear layer is closely correlated with the longitudinal component of oncoming flow. (2) The CWT analysis suggests that the extreme peak pressure in the separated shear layer is due to condensed large-scale eddy motions.
Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology
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v.10
no.4
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pp.12-19
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2007
In this study, nonlinear flow-induced vibration(flutter) analyses of a 2-DOF launch vehicle airfoil have been conducted in supersonic and hypersonic flow regimes. Advanced aeroelastic analysis system based on computational fluid dynamics and computational structural dynamics is successfully developed and applied to the present analyses. Nonlinear unsteady aerodynamic analyses considering strong shock wave motions are conducted using inviscid Euler equations. Aeroelastic governing equations for the 2-DOF airfoil system is solved by the coupled integration method with interactive CFD and CSD computation procedures. Typical wedge type airfoil shapes with initial angle-of-attacks are considered to investigate the nonlinear flutter characteristics in supersonic(15). Also, the comparison of detailed aeroelastic responses are practically presented as numerical results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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