International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.13
no.3
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pp.307-316
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2012
Numerical simulations of 3D aircraft configurations are performed in order to understand the effects of turbulence models on the prediction of aircraft's aerodynamic characteristics. An in-house CFD code that solves 3D RANS equations and two-equation turbulence model equations are used. The code applies Roe's approximated Riemann solver and an AF-ADI scheme. Van Leer's MUSCL extrapolation with van Albada's limiter is also adopted. Various versions of Menter's $k-{\omega}$ SST turbulence models as well as Coakley's $q-{\omega}$ model are incorporated into the CFD code. Menter's $k-{\omega}$ SST models include the standard model, the 2003 model, the model incorporating the vorticity source term, and the model containing controlled decay. Turbulent flows over a wing are simulated in order to validate the turbulence models contained in the CFD code. The results from these simulations are then compared with computational results from the $3^{rd}$ AIAA CFD Drag Prediction Workshop. Numerical simulations of the DLR-F6 wing-body and wing-body-nacelle-pylon configurations are conducted and compared with computational results of the $2^{nd}$ AIAA CFD Drag Prediction Workshop. Aerodynamic characteristics as well as flow features are scrutinized with respect to the turbulence models. The results obtained from each simulation incorporating Menter's $k-{\omega}$ SST turbulence model variations are compared with one another.
Bak, Jeong-Gyu;Cho, Jinsoo;Lee, Seawook;Kang, Young Seok
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.17
no.1
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pp.8-19
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2016
This paper investigates the effects of inlet turbulence conditions and near-wall treatment methods on the heat transfer prediction of gas turbine vanes within the range of engine relevant turbulence conditions. The two near-wall treatment methods, the wall-function and low-Reynolds number method, were combined with the SST and ${\omega}RSM$ turbulence model. Additionally, the RNG $k-{\varepsilon}$, SSG RSM, and $SST_+{\gamma}-Re_{\theta}$ transition model were adopted for the purpose of comparison. All computations were conducted using a commercial CFD code, CFX, considering a three-dimensional, steady, compressible flow. The conjugate heat transfer method was applied to all simulation cases with internally cooled NASA turbine vanes. The CFD results at mid-span were compared with the measured data under different inlet turbulence conditions. In the SST solutions, on the pressure side, both the wall-function and low-Reynolds number method exhibited a reasonable agreement with the measured data. On the suction side, however, both wall-function and low-Reynolds number method failed to predict the variations of heat transfer coefficient and temperature caused by boundary layer flow transition. In the ${\omega}RSM$ results, the wall-function showed reasonable predictions for both the heat transfer coefficient and temperature variations including flow transition onset on suction side, but, low-Reynolds methods did not properly capture the variation of the heat transfer coefficient. The $SST_+{\gamma}-Re_{\theta}$ transition model showed variation of the heat transfer coefficient on the transition regions, but did not capture the proper transition onset location, and was found to be much more sensitive to the inlet turbulence length scale. Overall, the Reynolds stress model and wall function configuration showed the reasonable predictions in presented cases.
A computational study of evaluation of current turbulence models is performed for a better prediction of thermal stratification in an upper plenum of a liquid metal reactor. The turbulence models tested in the present study are the two-layer model, the shear stress transport (SST) model, the v2-f model and the elliptic blending mode(EBM). The performances of the turbulence models are evaluated by applying them to the thermal stratification experiment conducted at JNC (Japan Nuclear Corporation). The algebraic flux model is used for treating the turbulent heat flux for the two-layer model and the SST model, and there exist little differences between the two turbulence models in predicting the temporal variation of temperature. The v2-f model and the elliptic blending model better predict the steep gradient of temperature at the interface of thermal stratification, and the v2-f model and elliptic blending model predict properly the oscillation of the ensemble-averaged temperature. In general the overall performance of the elliptic blending model is better than the v2-f model in the prediction of the amplitude and frequency of the temperature oscillation.
RANS-based CFD analysis is widely applied in various engineering fields, including practical hydraulic engineering, due to its high computational efficiency. However, problems of non-physical behavior in the analysis of two phase flow, such as free surfaces, have long been raised. The two-equation turbulence models used in general RANS-based analysis were developed for single phase flow and simulate unrealistically high turbulence energy at the interface where there are abrupt changes in fluid density. To solve this issue, one of the methods recently developed is the buoyancy-modified turbulence model, which has been partially validated in coastal engineering, but has not been applied to open channel flows. In this study, the applicability of the buoyancy-modified turbulence model is evaluated using the VOF method in the open-source program OpenFoam. The results of the uniform flow showed that both the buoyancy-modified k-𝜖 model and the buoyancy-modified k-ω SST model effectively simulated the reduction of turbulence energy near the free surface. Specifically, the buoyancy-modified k-ω SST model accurately simulated the vertical velocity distribution. Additionally, the model is applied to dam-break flows to examine cases with significant surface variation and cavity formation. The simulation results show that the buoyancy-modified turbulence models produce varying results depending on the VOF method and shows non-physical behavior different from experimental results. While the buoyancy-modified turbulence model is applicable in cases with stable surface shapes, it still has limitations in general application when there are rapid changes in the free surface. It is concluded that appropriate adjustments to the turbulence model are necessary for flows with rapid surface changes or cavity formation.
This work presents a numerical procedure to optimize the shape of three-dimensional channel with angled ribs mounted on one of the walls to enhance turbulent heat transfer. The response surface method is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Navier-Stokes analysis of flow and heat transfer. SST turbulence model is used as a turbulence closure. The width-to-height ratio of the rib, rib height-to-channel height ratio, pitch-to-rib height ratio and attack angle of the rib are chosen as design variables. The objective function is defined as a linear combination of heat-transfer and friction-loss related terms with weighting factor. D-optimal experimental design method is used to determine the data points. Optimum shapes of the channel have been obtained for the weighting factors in the range from 0.0 to 1.0.
Evaluation of elliptic blending turbulence model (EBM) together with the two-layer model, shear stress transport (SST) model and elliptic relaxation model (V2-F) is performed for a better prediction of thermal stratification in an upper plenum of a liquid metal reactor by applying them to the experiment conducted at JNC. The algebraic flux model is used for treating the turbulent heat flux. There exist much differences between turbulence models in predicting the temporal variation of temperature. The V2-F model and the EBM better predict the steep gradient of temperature at the interface of thermal stratification, and the V2-F model and EBM predict properly the oscillation of temperature. The two-layer model and SST model fail to predict the temporal oscillation of temperature.
In this study, two steady RANS turbulence models (SST k-ω and Realizable k-ε) and four unsteady turbulence models (URANS SST k-ω and Realizable k-ε, SST-SAS, and SST-IDDES) are evaluated with respect to their capacity to predict crosswind characteristics on high-speed trains (HSTs). All of the numerical simulations are compared with the wind tunnel values and LES results to ensure the accuracy of each turbulence model. Specifically, the surface pressure distributions, time-averaged aerodynamic coefficients, flow fields, and computational cost are studied to determine the suitability of different models. Results suggest that the predictions of the pressure distributions and aerodynamic forces obtained from the steady and transient RANS models are almost the same. In particular, both SAS and IDDES exhibits similar predictions with wind tunnel test and LES, therefore, the SAS model is considered an attractive alternative for IDDES or LES in the crosswind study of trains. In addition, if the computational cost needs to be significantly reduced, the RANS SST k-ω model is shown to provide relatively reasonable results for the surface pressures and aerodynamic forces. As a result, the RANS SST k-ω model might be the most appropriate option for the expensive aerodynamic optimizations of trains using machine learning (ML) techniques because it balances solution accuracy and resource consumption.
Yang, Yi;Xie, Zhuangning;Tse, Tim K.T.;Jin, Xinyang;Gu, Ming
Wind and Structures
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v.15
no.5
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pp.409-421
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2012
In this paper, the method of introducing additional source/sink terms in the turbulence and momentum transport equations was applied to appropriately model the effect of the tree canopy. At first, the new additional source term for the turbulence frequency ${\omega}$ equation in the SST k-${\omega}$ model was proposed through theoretical analogy. Then the new source/sink term model for the SST k-${\omega}$ model was numerically verified. At last, the proposed source term model was adopted in the wind environment optimal design of the twin high-rise buildings of CABR (China Academy of Building Research). Based on the numerical simulations, the technical measure to ameliorate the wind environment was proposed. Using the new inflow boundary conditions developed in the previous studies, it was concluded that the theoretically reasonable source term model of the SST k-${\omega}$ model was applicable for modeling the tree canopy flow and accurate numerical results are obtained.
The flow characteristics on the periodically arranged semi-circular ribs in a rectangular channel for turbulent flow have been investigated numerically. The aspect ratio of the rectangular channel was AR=5, the rib height to hydraulic diameter ratio was 0.07 and rib height to channel height ratio was e/H=0.117. The v2-f turbulence model and SST k-${\omega}$ turbulence model were used to find the flow characteristics of near the wall which are suited for realistic phenomena. The numerical analysis results show turbulent flow characteristics and pressure drop at the near the wall as observed experimentally. The results predict that turbulent kinetic energy(k) is closely relative to the diffusion of recirculation flow, and v2-f turbulence model simulation results have a good agreement with experimental.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.35
no.5
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pp.616-624
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2011
The flow characteristics and heat transfer augment on the periodically arranged semi-circular ribs in a rectangular channel for turbulent flow has been investigated numerically. The aspect ratio of the rectangular channel was AR=5, the rib height to hydraulic diameter ratio were 0.07 and rib height to channel height ratio was set as e/H=0.117 for various PR(rib pitch-to-rib height rate) between 8~14, respectively. The SST k-${\omega}$ turbulence model and v2-f turbulence model were used to find out the heat transfer and the flow characteristics of near the wall which are suited to obtain realistic phenomena. The numerical analysis results show turbulent flow characteristics, heat transfer enhancement and friction factor as observed experimentally. The results predict that turbulent kinetic energy(k) is closely relative to the diffusion of recirculation flow. and v2-f turbulence model simulation results have a good agreement with experimental values.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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