This paper represents the numerical analysis on effects of radius ratio in a concentric annulus with a rotating inner cylinder. The numerical model consisted of two cylinder which inner cylinder is rotating and outer cylinder is fix, and the axial direction is used the cyclic condition because of the length for axial direction is assumed infinite. The diameter of inner cylinder is assumed 86.8mm, the numerical parameters are angular velocity and radius ratio. Also, the whole walls of numerical model have no-slip and the working fluid is used water at $20^{\circ}C$. The numerical analysis is assumed the transient state to observe the flow variations by time and the 3-D cylindrical coordinate system. The calculation grid adopted a non-constant grid for dense arrangement near the wall side of cylinder, the standard $k-{\omega}$ high Reynolds number model to consider the effect of turbulence flow and wall, the fully implicit method for time term and the quick scheme for momentum equation. The numerical method is compared with the experimental results by Wereley and Lueptow, and the results are very good agreement. As the results, TVF isn't appeared when Re is small because of the initial flow instability is disappear by effect of the centrifugal force and viscosity. The vortex size is from 0.8 to 1.1 for TVF at various $\eta$, and the traveling distance for wavy vortex have the critical traveling distance for each case.
Numerical investigations were conducted to study the convective phenomena of an initially stably stratified salt water solution with lateral heating in a uniformly rotating annulus. The method of investigation is the finite difference analysis of the basic conservation equation for an axisymmetric, unsteady, double-diffusive convection and calculation is made for R $a_{\eta}$=2*10$^{5}$ and Ta=10$^{7}$ ~ 2.5*10$^{8}$ . Formation of layered flow structure, merging process of layers, the corresponding temperature and concentration distributions, Nu variation with time are examined. Numerical results show that in each layer, the temperature profile looks 'S'-shaped and the concentration profile is uniform due to the convective mixing. At the interface between adjacent layers, the temperature changes smoothly but the concentration changes rapidly. As the effect of the rotation increases, the generation of rolls at hot wall, the formation and merging of layers are delayed. The average Nu shows the trend of conduction heat transferees the effect of the rotation increases.n increases.
The steady rotating flows in eccentric annulus has been studied by a numerical method based on the spectral collocation method. The inner cylinder has a constant angular velocity while the outer on e is stationary. Flow between eccentric cylinders is of considerable technical importance as it occurs in journal bearings. In the present work, the governing equations for laminar flow are expressed as Navier-Stokes equations, including the non-linear convection terms. The solutions were utilized i, estimate the effects of the nonlinear terms on the load acting on the rotating cylinder. Based on the half and the full Sommerfeld methods, the load on the rotating cylinder is evaluated with eccentricity, by integrating the pressure and skin friction around the cylinder. The attitude angle and Sommerfeld reciprocal are calculated from the load. Also, the torque on the rotating inner cylinder was calculated. considering the skin friction. The attitude angle and Sommerfeld reciprocal are decreased with eccentricity. Viscous damping coefficient due to the skin friction becomes larger with decreasing the annular space. It is found the non-linear effects of the convection terms on the flow and the load are important. especially on the attitude angle, for relatively wide annular configurations however, the effects on those are minor for very narrow annular ones.
Dual solutions for steady natural convection of air between two horizontal concentric cylinders are numerically investigated in the range of $D_i$/TEX>/L(=diameter of inner cylinder/gap width)$\leq$10. It is found that, when the Rayleigh number based on the gap width exceeds a certain critical value, a new flow pattern forming two counter-rotating eddies in the half of the annulus can be realized, which is different from the crescent-shaped flow commonly observed. In the new flow pattern, the fluid near the top of the hot inner cylinder moves downward. This solution is found for D$_{i}$/L.geq.0.3, but not for$D_i$/TEX>/L$\leq$0.2. As $D_i$/TEX>/L increase, the critical Rayleigh number is decreased, and tends to a finite limit.t.
Transition of flows in natural convection in a horizontal cylindrical annulus is investigated for the fluid with Pr=0.2. The unsteady streamfunction-vorticity equation is solved with finite difference method. As Rayleigh number is increased, the steady crescent-shaped eddy flow bifurcates to a time-periodic flow with like-rotating eddies. After the first Hopf bifurcation, however, a reverse transition from oscillatory to a steady flow occurs by the flow pattern variation. Hysteresis phenomenon occurs between the solution branches of up-scan and down-scan stages, and dual solutions with one steady and one oscillatory flow are found. Overall Nusselt of the flows at the flows at the down-scan stage is greater than that at the up-scan stage.
Natural convection of a fluid with intermediate Prand시 number of Pr=0.2 in a horizontal annulus is considered, and the bifurcation phenomena and chaotic flows are numerically investigated. The unsteady two-dimensional streamfunction-vorticity equation is solved with finite difference method. The steady downward flow with two counter-rotating eddies bifurcates to a simple periodic flow with a fundamental frequency. And afterwards, second Hopf bifurcation occurs, and a quasi-periodic flow with two incommensurable frequencies appears. However, a new time-periodic flow is established after experiencing quasi-periodic states. As Rayleigh number is increased further, the chaotic flow regime is reached after a sequence of successive Hopf bifurcation to quasi-periodic and chaotic flow regimes. A scenario similar to the Ruelle-Takens-Newhouse scenario of the onset of chaos is observed.
Taylor-Couette flow may appear when the angular velocity is different between two concentric rotating cylinders. This kind of Taylor-vortex flow can be easily seen in lots of engineering problems. In general the geometries of rotating cylinders are generally complex in these cases. In this study, we investigated Taylor-Couette flow when the outer cylinder has the slit along the annulus. The radius ratio and aspect ratio of the experimental model used was 0.825 and 48, respectively. The depth of slits is 5mm and total 18 slits are azimuthally located along the inner wall of outer cylinder. We used PIV method to measure the flow and applied index matching method to resolve the complex geometry effect. The results show the model with slit has no stable wavy vortex region above Re=143.
In this work, limit elastic speed analysis of functionally graded porous rotating disks has been reported. The work proposes an effective approach for modeling the mechanical properties of a porous functionally graded rotating disk. Four different types of porosity models namely: uniform, symmetric, inner maximum, and outer maximum distribution are considered. The approach used is the variational principle, and the solution has been achieved using Galerkin's error minimization theory. The study aims to investigate the effect of grading indices, aspect ratio, porosity volume fraction, and porosity types on limit angular speed for uniform and variable disk geometries of constant mass. To validate the current study, finite element analysis has been used, and there is good agreement between the two methods. The study yielded a decrease in limit speed as grading indices and aspect ratio increase. The porosity volume fraction is found to be more significant than the aspect ratio effect. The research demonstrates a range of operable speeds for porous and non-porous disk profiles that can be used in industries as design data. The results show a significant increase in limit speed for an exponential disk when compared to other disk profiles, and thus, the study demonstrates a range of FG-based structures for applications in industries that will not only save material (lightweight structures) but also improve overall performance.
This study carried out a series of experiments involving impact tests (Drop Weight type & Charpy type with a standard specimen and newly designed I-type specimen), hardness tests, and fracture surface observations of French-made roll shell steel (F), abnormal roll shell steel (M), reheated roll shell steel (R), and S25C steel under heat treatment conditiAn experimental study was carried out to study the solid-liquid mixture upward hydraulic transport of solid particles in vertical and inclined annuli with a rotating inner cylinder. The lift forces acting on a fluidized particle play a central role in many important applications such as the removal of drill cuttings in horizontal drill holes, sand transport in fractured reservoirs, sediment transport, the cleaning of particles from surfaces, etc. In this study a clear acrylic pipe was used to observe the movement of solid particles. Annular velocities varied from 0.4 to 1.2 m/s. The effect of the annulus inclination and drill pipe rotation on the carrying capacity of a drilling fluid, particle rising velocity, and pressure drop in a slim hole annulus were measured for fully-developed flows of water and aqueous solutions of CMC (sodium carboxymethyl cellulose) and bentonite. The rotation of the inner cylinder was efficient at carrying particles to some degree. For a higher particle volume concentration, the hydraulic pressure loss of the mixture flow increased because of the friction between the wall and solids or between solids.
본 연구에서 실험과 수치해석 검증은 지름비 0.52인 동심환형관내에서 안쪽축이 회전하고 바깥쪽축이 고정된 유동장의 유동특성을 수행하였다. 압력손실과 마찰계수는 안쪽축이 0~600 rpm 회전시 물과 0.2% CMC 수용액을 완전히 발달된 유동장에서 측정하였다. 천이유동은 표면마찰계수(C$_{f}$ )에 대하여 로스비수(Ro)와 레이놀즈수(Re)관계를 나타내기 위하여 압력손실 측정에 의해 확인하였다. 천이발생은 레이놀즈수에 대하여 압력손실과 마찰계수의 구배변화에 의해 조사하였다. 회전으로 인한 마찰계수의 증가율은 천이영역에서 대하여 갑자기 감소함에 반하여 층류영역에서 균일하며, 난류영역에서는 점차적으로 감소함을 알 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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