This paper describes the characteristics of the fluctuating lift forces when a circular cylinder vibrates in the cross-flow direction. The response characteristics on elastically supported the circular cylinder was first examined by a free-vibration test. Next, flow-induced vibrations obtained by the free-vibration test were reproduced by a forced-vibration test, and then the characteristics of the fluctuating lift forces, the work done by the fluctuating lift, the behavior of the rolling-up of the separated shear layers were investigated on the basis of the visualized flow patterns. The main findings were that (i) the fluctuating lift forces become considerably large than those of a stationary circular cylinder, (ii) negative pressure generates on the surface of the circular cylinder when the rolling-up of separated shear layer begins, (iii) the phase between the fluctuating lift force and the cylinder displacement changes abruptly as the reduced velocity $U_r$ increases, and (iv) whether the generating cross-flow vibration becomes divergent or convergent can be described based on the work done by the fluctuating lift force. Furthermore, it was found that the generation of cross-flow vibration can be perfectly suppressed when the small tripping rods are installed on the surface of the circular cylinder.
This paper describes a wind tunnel test on a 1:25 scale model of TTU building with several adjustable openings in order to comprehensively study the characteristics of fluctuating internal pressures, especially the phenomenon of the increase in fluctuating internal pressures induced by tangential flow over building openings and the mechanism causing that. The effects of several factors, such as wind angle, turbulence intensity, opening location, opening size, opening shape and background porosity on the fluctuating internal pressures at oblique wind angles are also described. It has been found that there is a large increase in the fluctuating internal pressures at certain oblique wind angles (typically around 60° to 80°). These fluctuations are greater than those produced by the flow normal to the opening when the turbulence intensity is low. It is demonstrated that the internal pressure resonances induced by the external pressure fluctuations emanating from flapping shear layers on the sidewall downstream of the windward corner are responsible for the increase in the fluctuating internal pressures. Furthermore, the test results show that apart from the opening shape, all the other factors influence the fluctuating internal pressures and the internal pressure resonances at oblique wind angles to varying degrees.
In this paper, the fluctuating lift and drag forces on 5:1 rectangular cylinders with two different geometric scales in three turbulent flow-fields are investigated. The study is particularly focused on understanding the influence of the ratio of turbulence integral length scale to structure characteristic dimension (the length scale ratio). The results show that both fluctuating lift and drag forces are influenced by the length scale ratio. For the model with the larger length scale ratio, the corresponding fluctuating force coefficient is larger, while the spanwise correlation is weaker. However, the degree of influence of the length scale ratio on the two fluctuating forces are different. Compared to the fluctuating drag, the fluctuating lift is more sensitive to the variation of the length scale ratio. It is also found through spectral analysis that for the fluctuating lift, the change of length scale ratio mainly leads to the variation in the low frequency part of the loading, while the fluctuating drag generally follows the quasi-steady theory in the low frequency, and the slope of the drag spectrum at high frequencies changes with the length scale ratio. Then based on the experimental data, two empirical formulas considering the influence of length scale ratio are proposed for determining the lift and drag aerodynamic admittances of a 5:1 rectangular cylinder. Furthermore, a simple relationship is established to correlate the turbulence parameter with the fluctuating force coefficient, which could be used to predict the fluctuating force on a 5:1 rectangular cylinder under different parameter conditions.
The equations of a polar fluid of hydromagnetic fluctuating through a porous medium axe cast into matrix form using the state space and Laplace transform techniques the resulting formulation is applied to a variety of problems. The solution to a problem of an electrically conducting polar fluid in the presence of a transverse magnetic field and to a problem for the flow between two parallel fixed plates is obtained. The inversion of the Laplace transforms is carried out using a numerical approach. Numerical results for the velocity, angular velocity distribution and the induced magnetic field are given and illustrated graphically for each problems.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.2
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pp.181-188
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2004
The frequency characteristics in an axial flow fan operating at a design and three off-design operating conditions have been investigated by measuring the velocity fluctuation of a tip leakage vortex and a wake flow. Two hot-wire probe sensors rotating with the fan rotor. a fixed and a moving ones, were introduced to obtain a cross-correlation coefficient between two sensors as well as the fluctuating velocity. The results show that the spectral peaks due to the fluctuating velocity near the rotor tip are mainly observed in the reverse flow region of higher flow rates than those in the peak pressure operating condition. However, no peak frequency presents near the rotor tip for near stall condition. Detailed wake flow just downstream of the rotor blade was also measured by the rotating hot-wire sensor. The peak frequency of a high velocity fluctuation due to Karman vortex shedding in the wake region is mainly observed at the higher flow rate condition than that in the design point.
This work investigates Reynolds number Re (= 50 - 200) effects on the flows around a single cylinder and the two tandem (center-to-center spacing L⁎= L/D = 4) cylinders, each of a diameter D. Vorticity structures, Strouhal numbers, and time-mean and fluctuating forces are presented and discussed. For the single cylinder, with increasing Re in the range examined, the vorticity magnitude, Strouhal number and fluctuating lift all monotonically rise but time-mean drag, vortex formation length, and lateral distance between the two rows of vortices all shrink. For the two tandem cylinders, the increase in Re leads to the formation of three distinct flows, namely reattachment flow (50 ≤ Re ≤ 75), transition flow (75 < Re < 100), and coshedding flow (100 ≤ Re ≤ 200). The reattachment flow at Re = 50 is steady. When Re is increased from 75 to 200, the Strouhal number of the two cylinders, jumping from 0.113 to 0.15 in the transition flow regime, swells to 0.188. The two-cylinder flow is more sensitive to Re than the single cylinder flow. Fluctuating lift is greater for the downstream cylinder than the upstream cylinder while time-mean drag is higher for the upstream cylinder than for the other. The time-mean drags of the upstream cylinder and single cylinder behaves similar to each other, both declining with increasing Re.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.10
no.5
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pp.706-712
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1986
The unsteay heat transfer from an isothermal circular cylinder in fluctuating cross flow is simulated numerically, for the case where the amplitude of the oscillating velocity is small compared with the mean velocity. By solving the linear perturbation equations derived from the unsteady full Navier-Stokes and the energy equations, the amplitude and the phase of heat transfer response are obtained in the range of Reynolds number R$_{3}$ < 40. The effects of the velocity, the cylinder radius and the frequency on the response are expressed graphically in terms of the normalized velocity and the cylinder radius.
Wind-induced fluctuating internal pressures in a building with a dominant opening can be described by a second-order non-linear differential equation. However, the accuracy and efficiency of the governing equation in predicting internal pressure fluctuations depend upon two ill-defined parameters: inertial coefficient $C_I$ and loss coefficient $C_L$, since $C_I$ determines the un-damped oscillation frequency of an air slug at the opening, while $C_L$ controls the decay ratio of the fluctuating internal pressure. This study particularly focused on the value of loss coefficient and its influence factors including: opening configuration and location, internal volumes, as well as wind speed and approaching flow turbulence. A simplified formula was presented to predict loss coefficient, therefore an approximate relationship between the standard deviation of internal and external pressures can be estimated using Vickery's approach. The study shows that the loss coefficient governs the peak response of the internal pressure spectrum which, in turn, will directly influence the standard deviation of the fluctuating internal pressure. The approaching flow characteristic and opening location have a remarkable effect on the parameter $C_L$.
Unsteady nature of a tip leakage vortex in an axial flow fan operating at a design and off-design operating conditions has been investigated by measuring the velocity fluctuation in a blade passage with a rotating hotwire probe sensor. Two hot-wire probe sensors rotating with the fan rotor were also introduced to obtain the cross-correlation coefficient between the two sensors located in the vortical flow as well as the fluctuating velocity. The results show that the vortical flow structure near the rotor tip can be clearly observed at the quasi-orthogonal planes to a tip leakage vortex. The leakage vortex is enlarged as the flow rate is decreased, thus resulting in the high blockage to main flow. The spectral peaks due to the fluctuating velocity near the rotor tip are mainly observed in the reverse flow region at higher flow rates than the peak pressure operating condition. However, no peak frequency presents near the rotor tip for near stall condition.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.4
no.4
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pp.387-395
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2011
Single-blade centrifugal pumps are widely used as sewage pumps. However, the impeller of a single-blade pump is subjected to strong radial thrust during pump operation because of the geometrical axial asymmetry of the impeller. Therefore, to improve pump reliability, it is necessary to quantitatively understand radial thrust and elucidate the behavior and mechanism of thrust generating. This study investigates the radial thrust acting up on a single-blade centrifugal impeller by conducting experiments and CFD analysis. The results show that the fluctuating component of radial thrust increases as the flow rate deviates from the design flow rate to low or high value. Radial thrust was modeled by a combination of three components, inertia, momentum, and pressure by applying an unsteady conservation of momentum to the impeller. The sum of these components agrees with the radial thrust calculated by integrating the pressure and the shearing stress on the impeller surface. The behavior of each component was shown, and the effects of each component on radial thrust were clarified. The pressure component has the greatest effect on the time-averaged value and the fluctuating component of radial thrust. The time-averaged value of the inertia component is nearly 0, irrespective of the change in the flow rate. However, its fluctuating component has a magnitude nearly comparable with the pressure component at a low flow rate and slightly decreased with the increase in flow rate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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