In this study, simulation of weak shock waves are peformed by a two-dimensional thermal fluid or compressible fluid model of the lattice Boltzmann method. The shock wave represents an abrupt change in fluids properties, in which finite variations in pressure, internal energies, and density occur over the shock thickness. The characteristics of the proposed model with a simple distribution function is verified by calculation of the sound speeds, and the shock tube problem. The reflection of a weak shock wave by wedge propagating in a channel is performed. The results agree well with those by finite difference method or by experiment. In the simulation of unsteady shock wave diffraction around a sharp corner, we show a flow field of vortical structure near the comer.
It has been confirmed that implementation of the no-slip boundary conditions for the lattice-Boltzmann method play an important role in the overall accuracy of the numerical solutions as well as the stability of the solution procedure. We in this paper propose a new algorithm, i.e. the method of the dynamic boundary condition for no-slip boundary condition. The distribution functions on the wall along each of the links across the physical boundary are assumed to be composed of equilibrium and nonequilibrium parts which inherit the idea of Guo's extrapolation method. In the proposed algorithm, we apply a dynamic equation to reflect the computational slip velocity error occurred on the actual wall boundary to the correction; the calculated slip velocity error dynamically corrects the fictitious velocity on the wall nodes which are subsequently employed to the computation of equilibrium distribution functions on the wall nodes. Along with the dynamic selfcorrecting process, the calculation efficiently approaches the steady state. Numerical results show that the dynamic boundary method is featured with high accuracy and simplicity.
Immersed boundary lattice Boltzmann method has been applied to analyze the characteristics of the self-propelled fish motion swimming robot. The airfoil NACA0012 with caudal fin stroke model was considered to examine the characteristics. The foil in steady forward motion and a combination of steady-state harmonic deformation produces thrust through the formation of a flow downstream from the trailing edge. The harmonic motion of the foil causes unsteady shedding of vorticity from the trailing edge, while forming the vortices at the leading edge as well. The resultant thrust is developed by the pressure difference formed on the upper and lower surface of the airfoil. and the time averaged thrust coefficient increases as Re increase in the region of $Re{\leqq}700$. The suggested numerical method is suitable to develop the fish-motion model to control the swimming robot, however It would need to extend in 3D analysis to examine the higher Re and to determine the more detail mechanism of thrust production.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제34권1호
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pp.53-61
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2010
In the present study, a laminar natural convection flow of $H_2O$-Cu nanofluid in a two dimensional enclosure has been investigated using a thermal lattice Boltzmann approach with the Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) model. The effect of suspended nanoparticles on the fluid flow and heat transfer process have been studied for different controlling parameters such as particle volume fraction ($\Phi$), Rayleigh number (Ra). For this investigation the Rayleigh number changes from 104 to 106 and volume fraction varied from 0 to 10% with three different particle diameters (dp), say 10 nm, 20 nm and 40 nm. It is shown that increasing the Rayleigh number (Ra) and the volume fraction of nanofluid causes an increase of the effective heat transfer rate in terms of average Nusselt number (Nu) as well as the thermal conductivity of nanofluid. On the other hand, increasing the particle diameter causes the decrease of the heat transfer rate and thermal conductivity. The result of the analysis are compared with experimental and numerical data both for pure and nanofluids and it is seen a relatively good agreement.
Translocation of biopolymers such as DNA and RNA through a nano-pore is an important process in biotechnology applications. The translocation process of a biopolymer through an artificial nano-pore in the presence of a fluid solvent is simulated. The polymer motion is simulated by Langevin molecular dynamics (MD) techniques while the solvent dynamics are taken into account by lattice-Boltzmann method (LBM). The hydrodynamic interactions are considered explicitly by coupling the polymer and solvent through the frictional and the random forces. From simulation results we found that the hydrodynamic interactions between polymer and solvent speed-up the translocation process. The translocation time ${\tao}_T$ scales with the chain length N as ${{\tau}_T}^{\propto}N^{\alpha}$. The value of scaling exponents($\alpha$) obtained from our simulations are $1.29{\pm}0.03$ and $1.41{\pm}0.03$, with and without hydrodynamic interactions, respectively. Our simulation results are in good agreement with the experimentally observed value of $\alpha$, which is equal to $1.27{\pm}0.03$, particularly when hydrodynamic interaction effects are taken into account.
격자 볼츠만 기법(Lattice Boltzmann method)을 사용하여 에멀전의 유변학적 특성을 파악하기 위한 시뮬레이션을 수행하였다. 간단한 전단 유동하에서 온도와 전단속도, 계면장력에 변화를 주어 에멀전(decane-in-water)의 상대점도를 계산하고 이를 분석하였다. 에멀전의 상대점도는 온도가 증가함에 따라 감소하였고, 전단속도가 증가함에 따라 감소하는 전단박하(Shear thinning) 현상을 보여주었다. 이는 크로스 모델(Cross model)을 통해 검증하였고 일치하는 경향을 보여주었다. 계면에 존재하는 계면활성제(Surfactant)를 통해 제어되는 계면장력이 증가할수록 상대점도는 감소하는 경향을 보여주었다. 이것은 큰 계면장력에서는 기름방울의 변형이 억제되고 점도가 상대적으로 높은 기름방울의 표면적이 감소하면서 나타난다고 해석할 수 있다.
격자 볼츠만법을 이용하여 리튬이온전지의 전극 내 발생하는 전해액 함침 현상에 관하여 연구하였다. 최근 리튬이온전지는 용량 증가 및 에너지밀도 향상을 위하여 전극 설계시 활물질에 미세입자를 혼합하고 있어, 이로 인하여 전해액 함침성에 영향을 미치게 될 수 있다. 본 연구에서는 활물질 혼합율에 따른 전해액 분포와 포화도 변화를 알아보았다. 활물질 혼합비의 변화는 전극 내 전해액 함침 메커니즘에 영향을 주어, 전해액 함침속도와 함침도가 변화함을 확인하였다.
This study describes the numerical simulation of three-dimensional droplet formation and the following motion in a cross-junction microchannel by using the Lattice Boltzmann Method (LBM). Our aim is to develop the three-dimensional binary fluids model, consisting of two sets of distribution functions to represent the total fluid density and the density difference, which introduces the repulsive interaction consistent with a free-energy function between two fluids. We validated the LBM code with the velocity profile in a 3-dimensional rectangular channel. Then, we applied our code to the numerical simulation of a binary fluid flow in a cross-junction channel focusing on the investigation of the droplet formulation. Due to the pressure and interfacial-tension effect, one component of the fluids which is injected from one inlet is cut off into many droplets periodically by the other component which is injected from the other inlets. We considered the effect of the boundary conditions for density difference (order parameter) on the wetting of the droplet to the side walls.
리튬이온전지의 다공성 전극내에서 전해액 주입 후 발생하는 함침현상에 관하여 격자 볼츠만법을 이용하여 수치해석적으로 연구하였다. 다공성 전극은 전극 제조 중 압연공정을 거치므로 압축된 전극의 공극률과 두께변화가 발생하여 전해액 함침성에 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 2 차원 격자 볼츠만법을 통하여 압축률에 따른 전해액 분포와 포화도 변화를 제시하였다. 압축된 전극에서의 전해액 침투경로의 변화는 기공의 두께방향 크기 감소에 기인하며, 따라서 전극의 함침성이 크게 감소하였음을 확인하였다.
The two-dimensional circular cylinder freely falling in a channel has been simulated by using Immersed boundary - lattice Boltzmann method in order to analyze the characteristics of motion originated by the interaction between the fluid and the solid. The wide range of the solid/fluid density ratio has been considered to identify the effect of the solid/fluid density ratio on the motion characteristics such as the falling time, the terminal velocity and the trajectory in the vertical and horizontal directions. In addition, the effect of the gap between the cylinder and the wall on the motion of two-dimensional circular cylinder freely falling has been revealed by taking into account a various range of the gap size. The Reynolds number in terms of the terminal velocity is diminished as the cylinder becomes close to the wall at the initial dropping position, since the repulsive force induced between the cylinder and wall constrains the vertical motion. Quantitative information about the flow variables such as the pressure coefficient and vorticity on the cylinders is highlighted.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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