Heat (mass) transfer characteristics have been investigated on the endwall of a large-scale linear turbine cascade passage under a combustor-level high free-stream turbulence with a large length scale. Local heat (mass) transfer coefficients are measured by using the naphthalene sublimation technique. The result shows that local heat (mass) transfer on the endwall is greatly enhanced in the central region of the turbine passage, but there is no noticeable change in the local heat (mass) transfer in the region suffering severe heat load. Under the high free-stream turbulence, the local heat (mass) transfer coefficient shows more uniform distribution and its average value across the whole endwall region is increased by 26% of that at low turbulence condition. The heat (mass) transfer data on the endwall strongly supports that well-organized vortices near the endwall tends to suffer an suppression by the high free-stream turbulence.
In the present study, effects of tree-stream turbulence and surface trip wire on the flow past a sphere at $Re\;=\;0.4\;{\times}\;10^5\;{\sim}\;2.8\;{\times}\;10^5$ are investigated through wind tunnel experiments. Various types of grids are installed upstream of the sphere in order to change the tree-stream turbulence intensity. In the case of surface trip wire, 0.5mm and 2mm trip wires are attached from $20^{\circ}\;{\sim}\;90^{\circ}$ at $10^{\circ}$ interval along the streamwise direction. To investigate the flow around a sphere, drag measurement using a load cell, surface-pressure measurement, surface visualization using oil-flow pattern and near-wall velocity measurement using an I-type hot-wire probe are conducted. In the variation of free-stream turbulence, the critical Reynolds number decreases and drag crisis occurs earlier with increasing turbulence intensity. With increasing Reynolds number, the laminar separation point moves downstream, but the reattachment point after laminar separation and the main separation point are fixed, resulting in constant drag coefficient at each free-stream turbulence intensity. At the supercritical regime, as Reynolds number is further increased, the separation bubble is regressed but the reattachment and the main separation points are fixed. In the case of surface trip wire directly disturbing the boundary layer flow, the critical Reynolds number decreases further with trip wire located more downstream. However, the drag coefficient after drag crisis remains constant irrespective of the trip location.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.18
no.1
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pp.60-72
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1994
The effect of free stream tubulence on the coherent structure in the near wake of a circular cylinder was investigated by a conditional sampling technique. The measurements were made from C.T.A. with hot wire I-probe and a Split-film sensor. Contours of phase-averaged velocity and vorticities were presented and discussed. It was found that the value of the vortex strength increased with increasing free stream turbulence which can enhance the roll-up of the shear layer.
Effects of combustor-level high free-stream turbulence on the blade-surface heat/mass transfer have been investigated in the three-dimensional flow region near the endwall within a high-turning turbine rotor cascade passage. Free-stream turbulence intensity and integral length scale in the high turbulence case are 14.7 percents and 80 mm, respectively. The result shows that there is no considerable discrepancy in the blade heat/mass transfer near the endwall between the low and high turbulence cases. As departing from the endwall, however, the deviation between the two cases becomes larger, particularly in the region where flow separation and re-attachment occur. Under the high turbulence, flow disturbances such as boundary-layer separation and re-attachment seem to be suppressed, which makes the blade heat/mass transfer more uniform. Moreover, there are some evidences that endwall vortices tend to be weakened under the high turbulence.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.5
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pp.567-576
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1999
An experimental study has been conducted to investigate the effects of the free stream turbulence intensity and Reynolds number on the heat transfer and flow characteristics In the linear turbine cascade. Profiles of the time-averaged velocity, turbulence intensity, and Reynolds stress were measured in the turbine cascade passage. The static pressure and heat transfer distributions on the blade suction and pressure surfaces were also measured. The experiments were made for the Reynolds number based on the chord length, Rec = $2.2{\times}10^4$ to $1.1{\times}10^5$ and the free stream turbulence intensity, $FSTI_1$ = 0.6% to 9.1 %. The uniform heat flux boundary condition on the blade surface was created using the gold film Intrex and the surface temperature was measured by liquid crystal, while hot wire probes were used for the flow measurements. The results show that the free stream turbulence promotes the boundary layer development and delays the flow separation point on the suction surface. It was found that the boundary layer flows on the suction surface for all Reynolds numbers tested with $FSTI_1$ = 0.6% are laminar. It was also found that the heat transfer coefficient on the blade surface increases as the free stream turbulence intensity increases and the flow separation point moves downstream with an increasing Reynolds number. The results of skin friction coefficients are in good agreement with the heat transfer results in that for $FSTI_1{\geq}2.6%$, the turbulent boundary layer separation occurs.
Seo, Doyoung;Hwang, Sunwoo;Son, Changmin;Kim, Kuisoon
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.18
no.2
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pp.279-289
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2017
In this study, a series of conjugate heat transfer (CHT) analyses are conducted for a stage of a fully cooled high-pressure turbine (HPT) at elevated levels of free stream turbulence (Tu = 5% and 25.7%). The goal of the analyses is to investigate the influence of high turbulence intensity on the fluid-thermal characteristics of a nozzle guide vane (NGV). The turbine inlet temperature is defined by considering a typical radial temperature distribution factor (RTDF). The Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes (URANS) CHT simulations are carried out using CFX 15.0, a commercial CFD package. The presented CFD modeling approach for high turbulence intensity is verified with the experimental data from two types of NASA C3X NGVs with films. The computation grid is generated for both the fluid and solid domains. The fluid domain grid is created using a tetrahedral grid system with prism layers because of its complex geometry, and the solid domain grid is composed of only tetrahedral elements. The analytical results are compared to understand the effect of turbulence on flow characteristics and metal temperature distributions. The results obtained in this study provide useful insights on the effects of high free stream turbulence and unsteadiness. The results also lead to the proposal of meaningful turbine design guidelines.
Seo, Hyeong-Joon;Kuk, Keon;Lee, Joon-Sik;Lee, Sang-Woo
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.3
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pp.645-652
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1994
The leading edge of a turbine blade was simulated as a circular cylindrical surface. The effect of free-stream turbulence on the mass transfer upstream of the injectionhole has been investigated experimentally. The effects of injection location, blowing ratio on the Sherwood number distribution were examined as well. The mass transfer coefficients were measured by a naphthalene sublimation technique. The free-stream Reynolds number based on the cylinder diameter is 53,000. Other conditions investigated are: free-stream turbulence intensities of 3.9% and 8.0%, injection locations of $40^{\circ}$, $50^{\circ}$, and $60^{\circ}$ from the front stagnation point of the cylinder, and blowing ratios of 0.5 and 1.0. The role of the horseshoe vortex formed upstream edge of the injected jet is dicussed in detail. When the blowing ratio is unity, and the coolant jet is injected at $40^{\circ}$, the mass transfer upstream of the jet is not affected by the coolant jet at all. On the other hand, when the injection hole is located beyond $50^{\circ}$, the mass transfer upstream edge of the injection hole suddenly increases due to the formation of the horseshoe vortex, but it dereases as the free-stream turbulence intensity increases because the strength of the horseshoe vortex structure becomes weakened. The role of the horseshoe vortex is clearly evidenced by placing a rigid rod at the injection hole instead of issuing the jet. In the case of the rigid rod, the spanwise Sherwood number upstream of the injection hole is much larger due to the intense influence of the horseshoe vortex.
Wind tunnel experiments were performed to study the wind loads on an inclined flat plate with and without a guide plate. Highly turbulent flow, which corresponded to free-stream turbulence intensity on the flat roof of low-rise buildings, was produced by a turbulence generation grid at the inlet of the test section. The test model could represent a typical solar collector panel of a solar water heater. There are up-stream movements of the separation bubble and side-edge vortices, more intense fluctuating pressure and a higher bending moment in the turbulent flow. A guide plate would result in higher lift coefficient, particularly with an increased projected area ratio of a guide plate to an inclined flat plate. The value of lift coefficient is considerably lower with increased free-stream turbulent intensity.
The primary goal of this research is to investigate flow separation phenomena using various turbulence models. Also investigated are the effects of free-stream turbulence intensity on the flow over a NACA 0018 airfoil. The flow field around a NACA 0018 airfoil has been numerically simulated using RANS at Reynolds numbers ranging from 100,000 to 200,000 and angles of attack (AoA) ranging from 0° to 18° with various inflow conditions. A parametric study is conducted over a range of chord Reynolds numbers for free-stream turbulence intensities from 0.1 % to 0.5 % to understand the effects of each parameter on the suction side laminar separation bubble. The results showed that increasing the free-stream turbulence intensity reduces the length of the separation bubble formed over the suction side of the airfoil, as well as the flow prediction accuracy of each model. These models were used to compare the modeling accuracy and processing time improvements. The K- SST performs well in this simulation for estimating lift coefficients, with only small deviations at larger angles of attack. However, a stall was not predicted by the transition k-kl-omega. When predicting the location of flow reattachment over the airfoil, the transition k-kl-omega model also made some over-predictions. The Cp plots showed that the model generated results more in line with the experimental findings.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.7
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pp.889-898
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1998
The influences of the Reynolds number and free-stream turbulence intensity on the flow separation behavior around a circular were investigated experimentally. The range of the Reynolds number and turbulence intensity considered are 10,000 ~ 45,000 and 0.3 ~ 6.8%, respectively. Because of ineffectiveness of using time-mean value of hot-film sensor signals in determining the separation location around the cylinder, a new method using phase-difference of hot-film sensor signals with hot-wire being located in shedding vortex is suggested. The validity of the present method is confirmed by the comparison with flow visualization.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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