Stratified flow past a three-dimensional obstacle such as a sphere has been a long-lasting subject of geophysical, environmental and engineering fluid dynamics. In order to investigate the effect of the stratification on the near wake, in particular, the unsteady vortex formation behind a sphere, numerical simulations of stratified flows past a sphere are conducted. The time-dependent Navier-Stokes equations are solved using a three-dimensional finite element method and a modified explicit time integration scheme. Laminar flow regime is considered, and linear stratification of density is assumed under Bossiness approximation. The computed results include the characteristics of the near wake and the unsteady vortex shedding. With a strong stratification, the separation on the sphere is suppressed and the wake structure behind the sphere becomes planar, resembling that behind a vertical cylinder.
The greatest suction on the cladding of flat roof low-rise buildings is known to occur beneath the conical vortices that form along the roof edges for cornering winds. In a companion paper, a model of the vortex flow mechanism has been developed which can be used to connect the surface pressure beneath the vortex to adjacent flow conditions. The flow model is experimentally validated in this paper using simultaneous velocity and surface pressure measurement on a 1 : 50 model of the Texas Tech University experimental building in a wind tunnel simulated atmospheric boundary layer. Flow visualization gives further insight into the nature of peak suction events. The flow model is shown to account for the increase in suction towards the roof corner as well as the presence of the highest suction at wind angles of $60^{\circ}$. It includes a parameter describing vortex suction strength, which is shown to be related to the nature of the reattachment, and also suggests how different components of upstream turbulence could influence the surface pressure.
The turbulent flow around a sphere was investigated using two experimental techniques: smoke-wire flow visualization in wind tunnel at Re=5300, 11000 and PIV measurements in a circulating water channel. The smoke-wire visualization shows flow separation points near an azimuthal angle of $90^{\circ}$, recirculating flow, transition from laminar to turbulent shear layer, evolving vortex roll-up and fully turbulent eddies in the sphere wake. The mean velocity field measured using a PIV technique in x-y center plane demonstrates the detailed near-wake structure such as nearly symmetric recirculation region, two toroidal vortices, laminar separation, transition and turbulent eddies. The PIV measurements of turbulent wake in y-z planes show that a recirculating vortex pair dominates the near-wake region.
The flow characteristics of synthetic jet depending on rectangular and circular jet exit configuration are investigated using numerical computation with cross flow. In rectangular slot, synthetic jet generates the strong vortex, however, supply fewer momentum and effectiveness of flow control is reduced along flow direction. In circular slot, regular vortex is fanned from slot center to end and developed in flow direction. It affects the wider region than rectangular slot. The distribution of wall shear stress is considered in order to indicate the effectiveness of flow control device for flow separation delay. As a result, circular slot is a more suitable candidate for delaying flow separation.
The phenomena of energy separation through the vortex tube was investigated experimentally, to see the effect of nozzle area ratio and partial admission rate on the energy separation and cooling capacity. The experiment was tarried out with various nozzle area ratios from 0.031 to 0.232 and partial admission rate from 0.176 to 0.956 by varying input pressure($0.2{\si\m}0.5$ MPa) and cold air mass fraction($y=0.1{\sim}1.0$). From the experimental result, we found the optimum nozzle area ratio and the effective partial admission rate for the available use and best cooling performance in given operation condition. While the maximum drop of cold air temperature was observed at around y=0.3 and $S_n=0.155$, the maximum cooling capacity was observed at around y=0.6 and $S_n=0.094$.
두꺼운 에어포일은 받음각이 클 때 역압력 구배가 일어날 수 있기 때문에 날개의 중앙부 후방에서 유동박리(Flow separation)와 와류 진동(Vortex shedding)이 쉽게 발생할 수 있다고 알려져 있다. 항공기가 이 착륙할 때 받음각이 커짐에 따라 유동박리에 의한 실속이 발생할 수 있는데 이를 지연 시켜 실속각을 크게 하면 안전성이나 효율 면에서 유리하다. 이를 위해 날개에 Hole을 만들어 와류를 잡아 유동의 박리를 지연시키고자 하였다. 본 연구에서는 EDISON_CFD 시스템의 2D_Incomp_P 솔버를 사용하여 NACA0018 에어포일의 윗면에 다른 위치의 Hole이 있을 때와 크기가 다른 Hole이 있을 때의 실속각이 가장 커지는 경우를 찾아보았다. Hole의 위치와 반지름 크기를 변화시켰을 때 각각의 최대 양력 계수를 비교하여 실속각의 증가와 Streamline을 그려 유동박리가 지연됨을 확인하였다.
A steady-state Reynolds averaged Navier-Stokes simulation was conducted to investigate the distribution of the Reynolds stress tensor inside tip leakage vortex of a linear compressor cascade. Two different inlet flow angles ${\beta}=29.3^{\circ}$(design condition) and $36.5^{\circ}$(off-design condition) at a constant tip clearance size of $1\%$ blade span were considered. Classical methods of solid mechanics, applied to view the Reynolds stress tensor in the principal direction system, clearly showed that the high anisotropic feature of turbulent flow field was dominant at the outer part of tip leakage vortex near the suction side of the blade and endwall flow separation region, whereas a nearly isotropic turbulence was found at the center of tip leakage vortex. There was no significant difference in the anisotropy of the Reynolds normal stresses inside tip leakage vortex between the design and off-design condition.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제11권4호
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pp.319-325
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2010
For decades, researchers have rigorously studied the characteristics of flow traveling around blunt objects in order to gain greater understanding of the flow around aircraft, vehicles or vessels. Many different types of flow exist, such as boundary layer flow, flow separation, laminar and turbulent flow, vortex and vortex shedding; such types are especially observed around circular cylinders. Vortex shedding around a circular cylinder exhibits a two-dimensional flow structure possessing a Reynolds number within the range of 47 and 180. As the Reynolds number increases, the Karman vortex changes into a three-dimensional flow structure. In this paper, a numerical analysis was performed examining the flow and aero-acoustic field characteristics around a circular cylinder using an optimized high-order compact scheme, which is a high order scheme. The analysis was conducted with a Reynolds number ranging between 300 and 1,000, which belongs to B-mode flow around a circular cylinder. For a B-mode Reynolds number, a proper spanwise length is analyzed in order to obtain the characteristics of three-dimensional flow. The numerical results of the Strouhal number as well as the lift and drag coefficients according to Reynolds numbers are coincident with the other experimental results. Basic research has been conducted studying the effects an unstable three-dimensional wake flow on an aero-acoustic field.
This study presents a mode analysis of 3D turbulent velocity data around a square-section building model to identify the dynamic system for Kármán-type vortex shedding. Proper orthogonal decomposition (POD) was first performed to extract the significant 3D modes. Magnitude-squared coherence was then applied to detect the phase consistency between the modes, which were roughly divided into three groups. Group 1 (modes 1-4) depicted the main vortex shedding on the wake of the building, with mode 2 being controlled by the inflow fluctuation. Group 2 exhibited complex wake vortexes and single-sided vortex phenomena, while Group 3 exhibited more complicated phenomena, including flow separation. Subsequently, a third-order polynomial regression model was used to fit the dynamics system of modes 1, 3, and 4, which revealed average trend of the state trajectory. The two limit cycles of the regression model depicted the two rotation directions of Kármán-type vortex. Furthermore, two characteristic periods were identified from the trajectory generated by the regression model, which indicates fast and slow motions of the wake vortex. This study provides valuable insights into 3D mode morphology and dynamics of Kármán-type vortex shedding that helps to improve design and efficiency of structures in turbulent flow.
Zengshun Chen;Jie Bai;Yemeng Xu;Sijia Li;Jianmin Hua;Cruz Y. Li;Xuanyi Xue
Wind and Structures
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제37권5호
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pp.331-346
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2023
This work investigates the effects of transverse inclination on an aeroelastic prism through forced-vibration wind tunnel experiments. The aerodynamic characteristics are tri-parametrically evaluated under different wind speeds, inclination angles, and oscillation amplitudes. Results show that transverse inclination fundamentally changes the wake phenomenology by impinging the fix-end horseshoe vortex and breaking the separation symmetry. The aftermath is a bi-polar, one-and-for-all change in the aerodynamics near the prism base. The suppression of the horseshoe vortex unleashes the Kármán vortex, which significantly increases the unsteady crosswind force. After the initial morphology switch, the aerodynamics become independent of inclination angle and oscillation amplitude and depend solely on wind speed. The structure's upper portion does not feel the effect, so this phenomenon is called Base Intensification. The phenomenon only projects notable impacts on the low-speed and VIV regime and is indifferent in the high-speed. In practice, Base Intensification will disrupt the pedestrian-level wind environment from the unleashed Bérnard-Kármán vortex shedding. Moreover, it increases the aerodynamic load at a structure base by as much as 4.3 times. Since fix-end stiffness prevents elastic dissipation, the load translates to massive stress, making detection trickier and failures, if they are to occur, extreme, and without any warnings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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