Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.17
no.6
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pp.569-580
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2005
The present study investigates the convective heat/mass transfer characteristics in wavy ducts of a primary surface heat exchanger. The effects of duct aspect ratio and flow velocity on the heat/mass transfer are investigated. Local heat/mass transfer coefficients on the corrugated duct sidewall are determined using a naphthalene sublimation technique. The aspect ratios of the wavy duct are 7.3, 4.7 and 1.8 with the corrugation angle of $145\Omega$. The Reynolds numbers, based on the duct hydraulic diameter, vary from 300 to 3,000. The results show that at the low Re(Re $\leq$ 1000) the secondary vortices called Taylor-Gortler vortices perpendicular to the main flow direction are generated due to effect of duct curvature. By these secondary vortices, non-uniform heat/mass transfer coefficients distributions appear. As the aspect ratio decreases, the number of cells formed by secondary vortices are reduced and secondary vortices and comer vortices mix due to decreased aspect ratio at Re$\leq$1000. At Re >1000, the effects of corner vortices become stronger. The average Sh for the aspect ratio of 7.3 and 4.7 are almost same. But at the small aspect ratio of 1.8, the average Sh decreases due to decreased aspect ratio. More pumping power (pressure loss) is required for the larger aspect ratio due to the higher flow instability.
This study develops a dual purpose: i) evaluating the effects of two different Mars atmosphere models (NASA Glenn and GRAM-2001) on aerodynamics of a capsule (Pathfinder) entering the Mars atmosphere, ii) verifying the feasibility of evaluating the ambient density and pressure by means of the methods by McLaughlin and Cassanto, respectively and therefore to re-build the values provided by the models. The method by McLaughlin relies on the evaluation of the capsule drag coefficient, the method by Cassanto relies on the measurement of pressure at a point on the capsule surface in aerodynamic shadow. The study has been carried out computationally by means of: i) a code integrating the equations of dynamics of the capsule for the computation of the entry trajectory, ii) a DSMC code for the solution of the flow field around the capsule in the altitude interval 50-100 km. The models show consistent differences at altitudes higher than about 40 km. It seems that the GRAM-2001 model is more reliable than the NASA Glenn model. In fact, the NASA Glenn model produces, at high altitude, temperatures that seem to be too low compared with those from the GRAM-2001 model and correspondingly very different aerodynamic conditions in terms of Mach, Reynolds and Knudsen numbers. This produces pretty different capsule drag coefficients by the two models as well as pressure on its surface, making not feasible neither the method by McLaughlin nor that by Cassanto, until a single, reliable model of the Mars atmosphere is not established. The present study verified that the implementation of the Cassanto method in Mars atmosphere should rely (such as it is currently) on pressure obtained experimentally in ground facilities.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.25
no.1
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pp.61-70
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2022
Fire damage time in high-rise buildings and wildland fire increasing every year. The use of high-pressure fire pumps is required to effectively extinguish fires. Reflecting the curvature effect of the fire hose occurring at the actual fire fighting site, this study provides a database of pressure drop, discharge velocity and maximum discharge height through C FD numerical analysis and it can provide using standards for fire extinguishing. Two Reynolds numbers of 200000 and 400000 were numerically analyzed at 0° -180° bending with water of 25℃ as a working fluid in hoses with a diameter of 65mm, a length of 15m, and a radius of curvature of 130mm. Realizable k-ε turbulence model was used and standard wall function was used. The pressure drop increases as the bending angle increases, and the maximum value at 90° and then decreases. The increasing rate is greater than the decrease. The velocity of the secondary flow also decreases after having the maximum value at 90°. The decreasing rate is greater than the increase. The turbulent kinetic energy increases to 120° and decreases with the maximum value. Pressure drop, velocity of the secondary flow, and turbulence kinetic energy are measured larger in the second bending region than in the first bending region.
In this work the numerical results of the flow around a 5:1 rectangular cylinder at Reynolds numbers 3 000 and 40 000, zero angle of attack and smooth incoming flow condition are presented. Implicit Large Eddy Simulations (ILES) have been performed with a high-order accurate spatial scheme and an implicit high-order accurate time integration method. The spatial approximation is based on a discontinuous Galerkin (dG) method, while the time integration exploits a linearly-implicit Rosenbrock-type Runge-Kutta scheme. The aim of this work is to show the feasibility of high-fidelity flow simulations with a moderate number of DOFs and large time step sizes. Moreover, the effect of different parameters, i.e., dimension of the computational domain, mesh type, grid resolution, boundary conditions, time step size and polynomial approximation, on the results accuracy is investigated. Our best dG result at Re=3 000 perfectly agrees with a reference DNS obtained using Nek5000 and about 40 times more degrees of freedom. The Re=40 000 computations, which are strongly under-resolved, show a reasonable correspondence with the experimental data of Mannini et al. (2017) and the LES of Zhang and Xu (2020).
Hongmiao Jing;Jitao Zhang;Qingkuan Liu;Yangxue Wang
Wind and Structures
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v.36
no.3
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pp.175-200
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2023
The large eddy simulation (LES) of the flow around a circular cylinder is not only affected by the sub-grid scale (SGS) model but also by the grid resolution of the computational domain. To study the influence of different grids on the LES results, the LES simulations of the flow around a circular cylinder with different grids at Reynolds number (Re) = 3900 was performed. A circular computational domain with different radial growth rates and circumferential and spanwise grid numbers was adopted for the simulations. Meanwhile, the aerodynamic forces, wind pressure coefficients, mean and instantaneous flow fields, and the effect of grid resolution on them were comprehensively analyzed. The results indicate that the lift coefficient, wind pressure coefficient, and recirculation length are significantly affected by the radial growth rate of the grid and the circumferential grid number. The spanwise grid number has a significant influence on the three-dimensionality of the flow and plays an important role in velocity fluctuations in the wake region. Nevertheless, the aerodynamic coefficients and recirculation length are not sufficiently sensitive to the grid number in the spanwise direction. By comparing the results, it can be concluded that suitable and reliable LES results can be obtained when the radial growth rate is 1.03 or 1.05, the circumferential grid number is 160, 200, or 240, and the spanwise grid number is 64. A radial growth rate 1.05, circumferential grid number 160, and spanwise grid number 64 are recommended to reduce the grid amount and further improve the efficiency.
Many studies of heat transfer on the swirling flow or unswirled flow in a abrupt pipe expansion are widely carried out. The mechanism is not fully found evidently due to the instabilities of flow in a sudden change of the shape and appearance of turbulent shear layers in a recirculation region and secondary vortex near the corner. The purpose of this study is to obtain data through an experimental study of the swirling flow and heat transfer downstream of an abrupt expansion in a circular pipe with uniform heat flux. Experiments were carried out for the turbulent flow nd heat transfer downstream of an abrupt circular pipe expansion. The uniform heat flux condition was imposed to the downstream of the abrupt expansion by using an electrically heated pipe. Experimental data are presented for local heat transfer rates and local axial velocities in the tube downstream of an abrupt 3:1 & 2:1 expansion. Air was used as the working fluid in the upstream tube, the Reynolds number was varied from 60, 00 to 120, 000 and the swirl number range (based on the swirl chamber geometry, i.e. L/d ratio) in which the experiments were conducted were L/d=0, 8 and 16. Axial velocity increased rapidly at r/R=0.35 in the abrupt concentric expansion turbulent flow through the test tube in unswirled flow. It showed that with increasing axial distance the highest axial velocities move toward the tube wall in the case of the swirling flow abrupt expansion. A uniform wall heat flux boundary condition was employed, which resulted in wall-to-bulk temperatures ranging from 24.deg. C to 71.deg. C. In swirling flow, the wall temperature showed a greater increase at L/d=16 than any other L/d. The bulk temperature showed a minimum value at the pipe inlet, it also exhibited a linear increase with axial distance along the pipe. As swirl intensity increased, the location of peak Nu numbers was observed to shift from 4 to 1 step heights downstream of the expansion. This upstream movement of the maximum Nusselt number was accompanied by an increase in its magnitude from 2.2 to 8.8 times larger than fully developed tube flow values.
Seo, Myung Jae;Lim, Dae Ho;Jin, Hae Ryong;Kang, Yong;Jung, Heon;Lee, Ho Tae
Korean Chemical Engineering Research
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v.47
no.6
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pp.720-726
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2009
Hydrodynamic similarity was investigated in pressurized three-phase slurry bubble columns by selecting the bubble holdup and pressure drop as objective functions, for the effective design and scale-up of it. In addition, effects of operating variables on the bubble holdup with variation of column diameter were also analyzed. Gas velocity($U_G$), viscosity(${\mu}_{SL,eff}$) and surface tension(${\rho}_{SL}$) of slurry phase, density difference between the slurry and gas phases(${\rho}_{SL}-{\rho}_G$) depending on the operating pressure, pressure drop per unit length(${\Delta}P/L$), column diameter(D) and gravitational acceleration(g) were chosen as governing parameters in determining the bubble holdup and pressure drop in the column. From the dimensional analysis, four kinds of dimensionless groups were derived from the 7 parameters and 4 fundamental dimensions. Effects of dimensionless groups such as Reynolds, Froude and Weber numbers on the bubble holdup in the column were discussed. The pressure drop and bubble holdup could be predicted from the correlation of dimensionless groups effectively, which could be used as useful information for the design and scale-up of pressurized slurry bubble columns.
Axial and overall heat transfer coefficients were investigated in a bubble column with relatively high viscous and low surface tension media. Effects of superficial gas velocity (0.02~0.1 m/s), liquid viscosity ($0.1{\sim}0.3Pa{\cdot}s$) and surface tension ($66.1{\sim}72.9{\times}10^{-3}N/m$) on the local and overall heat transfer coefficients were examined. The heat transfer field was composed of the immersed heater and the bubble column; a vertical heater was installed at the center of the column coaxially. The heat transfer coefficient was determined by measuring the temperature differences continuously between the heater surface and the column which was bubbling in a given operating condition, with the knowledge of heat supply to the heater. The local heat transfer coefficient increased with increasing superficial gas velocity but decreased with increasing axial distance from the gas distributor and liquid surface tension. The overall heat transfer coefficient increased with increasing superficial gas velocity but decreased with increasing liquid viscosity or surface tension. The overall heat transfer coefficient was well correlated in terms of operating variables such as superficial gas velocity, liquid surface tension and liquid viscosity with a correlation coefficient of 0.91, and in terms of dimensionless groups such as Nusselt, Reynolds, Prandtl and Weber numbers with a correlation of 0.92; $$h=2502U^{0.236}_{G}{\mu}^{-0.250}_{L}{\sigma}^{-0.028}_L$$$$Nu=325Re^{0.180}Pr^{-0.067}We^{0.028}$$.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.10
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pp.1139-1146
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2012
An alternative approach for topology optimization of steady incompressible Navier-Stokes flow problems is presented by using P1 nonconforming finite elements. This study is the extended research of the earlier application of P1 nonconforming elements to topology optimization of Stokes problems. The advantages of the P1 nonconforming elements for topology optimization of incompressible materials based on locking-free property and linear shape functions are investigated if they are also valid in fluid equations with the inertia term. Compared with a mixed finite element formulation, the number of degrees of freedom of P1 nonconforming elements is reduced by using the discrete divergence-free property; the continuity equation of incompressible flow can be imposed by using the penalty method into the momentum equation. The effect of penalty parameters on the solution accuracy and proper bounds will be investigated. While nodes of most quadrilateral nonconforming elements are located at the midpoints of element edges and higher order shape functions are used, the present P1 nonconforming elements have P1, {1, x, y}, shape functions and vertex-wisely defined degrees of freedom. So its implentation is as simple as in the standard bilinear conforming elements. The effectiveness of the proposed formulation is verified by showing examples with various Reynolds numbers.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.40
no.7
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pp.441-448
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2016
The thrust force created by a propeller depends on the incoming flow velocity and the rotational velocity of the propeller. The performance of the propeller can be described by dimensionless variables, advanced ratio, thrust coefficient, and power coefficient. This study included the application of the immersed boundary lattice Boltzmann method (IBLBM) with the stereo lithography (STL) file of the rotating object for performance analysis. The immersed boundary method included the addition of the external force term to the LB equation defined by the velocity difference between the lattice points of the propeller and the grid points in the domain. The flow by rotating a 4-blade propeller was simulated with various Reynolds numbers (Re) (including 100, 500 and 1000), with advanced ratios in the range of 0.2~1.4 to verify the suggested method. The typical tendency of the thrust efficiency of the propeller was obtained from the simulation results of different advanced ratios. It was also necessary to keep the maximum mesh size ratio of the propeller surface to a grid size below 3. Additionally, a sufficient length of the downstream region in the domain was maintained to ensure the numerical stability of the higher Re and advanced ratio flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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