Shock waves have been observed in the outskirts of galaxy clusters. They are commonly interpreted as being driven by mergers of sub-clumps, so are called "merger shocks". We here report a study of the properties of merger shocks in merging galaxy clusters with cosmological hydrodynamic simulations. As a representative case, we describe the case where sub-clusters with mass ratio ~ 2 go through an almost head-on, binary-like merger. Because of the turbulent nature of hierarchical clustering, shock surfaces are not uniform, but composed of parts with different Mach numbers. As merger shocks expand from the core to the outskirts, the average Mach number, < $M_s$ >, increases. The shocks propagating along the merger axis could be observed as X-ray shocks and/or radio relics. The kinetic energy through the shocks peaks at ~ 1 Gyr after shock launching, or at ~ 1 - 2 Mpc from the core. The most energetic shocks are found to have the kinetic-energy weighted Mach number, < $M_s$ > $_{\phi}{\simeq}2-3$, and the CR-energy weighted Mach number, < $M_s$ > $_{CR}{\simeq}3-4$. We then discuss the observational implications of our results.
Although most of observed properties of giant radio relics detected in the outskirts of galaxy clusters could be explained by relativistic electrons accelerated at merger-driven shocks, a few significant puzzles remain. In some relics the shock Mach number inferred from X-ray observations is smaller than that estimated from radio spectral index. Such a discrepancy could be understood, if either the shock Mach number is nder-estimated in X-ray observation due to projection effects, or if pre-existing electrons with a flat spectrum are re-accelerated by a weak shock, retaining the flat spectral form. In this study, we explore these two scenarios by comparing the results of shock acceleration simulations with observed features of the so-called Toothbrush relic in the merging cluster 1RXS J060303.3. We find that both models could reproduce reasonably well the observed radio flux and spectral index profiles and the integrated radio spectrum. Either way, the broad transverse relic profile requires additional post shock electron acceleration by downstream turbulence.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.784-788
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2004
A visualization study of shock formation of the supersonic jet nozzle using a Shadowgraph Method (SM) was carried out to investigate the effect of the longitudinal variation of coaxial pipe end tip position inside the supersonic nozzle. The experiment was performed for the Mach number range from 1.1 to 1.2 at nozzle exit. The well known shock cell structure was shown with the pipe end located deep inside the nozzle for the studied Mach number. With the pipe end approaches nozzle exit, it was found that the shock cell structure disappeared and turned into complex formation. In order to understand the mechanism of the shock structural change, computational simulation was carried out using the Navier-Stokes solver, FLUENT. Topological sketch was added with an aid of the visualization and the numerical simulation.
For the prediction on the onset of oblique shock wave-induced vortex breakdown, computational studies on the Oblique Shock wave/Vortex Interaction (OSVI) are conducted and compared with both experimental results and analytic model. A Shock-stable numerical scheme, the Roe scheme with Mach number-based function (RoeM), and a two-equation eddy viscosity-transport approach are used for three-dimensional turbulent flow computations. The computational configuration is identical to available experiment, and we attempt to ascertain the effect of parameters such as a vertex strength, streamwise velocity deficit, and shock strength at a freestream Mach number of 2.49. Numerical simulations using the ${\kappa}-{\omega}SST$ turbulence model and suitably modeled vortex profiles are able to accurately reproduce many fine features through a direct comparison with experimental observations. The present computational approach to determine the criterion on the onset of oblique shock wave-induced vortex breakdown is found to be in good agreement with both the experimental result and the analytic prediction.
A numerical parametric study is conducted to simulate shock-induced combustion with a variation in freestream conditions. A steady combustion front is established if the freestream Mach number is above the Chapman-Jouguet speed of the mixture. On the other, an unsteady reaction front is established if the the freestream Mach number is below or at the Chapman-Jouguet speed of the mixture. The three cases have been simulated for Machs 4.18, 5.11, and 6.46 with a projectile diameter of 15 mm. Machs 4.18 and 5.11 shows an unsteady reaction front, whereas Mach 6.46 represents a steady reaction front. Thus Chapman-Jouguet speed is one of deciding factor for the instabilities to trigger.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.05a
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pp.852-855
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2004
This experimental study describes the propagation characteristics of the impulse noise emitted from the exit of a straight pipe attached to the open end of a simple shock tube. The sound pressure level and directivity of the impulse noise propagating from the exit of pipe with several different diameters are measured in the far sound fold for the range of the incident shock wave Mach number between 1.07 and 1.26. The experimental results showed that the peak values of impulse noises had a strong dependance on the exit diameter of a pipe and the shock wave Mach number. The impulse noise had the directivity propagating toward to the pipe axis and the characteristics of inverse square law of propagation distance. Moreover, it was shown that the one-third octave band SPL of impulse noise was almost constant regardless of the frequency band.
When a shock wave arrives at an open end of tube, an impulse wave is discharged from the tube exit and causes serious noise and vibration problems. In the current study, the effect of the cross-sectional area of tube on the impulse wave is numerically investigated using a CFD method. The Harten-Yee's total variation diminishing(TVD) scheme is used to solve the axisymmetric, two-dimensional, unsteady, compressible Euler equations. With three different cross-sectional areas of tube, the Mach number of the incident shock wave $M_{s}$ is varied between 1.01 and 1.5. The results obtained show that the directivity and magnitude of impulse wave strongly depend upon the Mach number of incident shock wave and are influenced by the tube area. It is also known that the tube cross-sectional area significantly affects the magnitude of impulse wave at or near the tube axis.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.9
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pp.1229-1237
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1998
Experiments of shock-wave/turbulent boundary layer interaction were conducted by using a supersonic wind tunnel. Nominal Mach number was varied in the range of 1.6 to 3.0 by means of different nozzles. The objective of the present study is to investigate the effects of boundary layer suction on normal shock-wave oscillations caused by shock wave/boundary layer interaction in a straight duct. Two-dimensional slits were installed on the top and bottom walls of the duct to bleed turbulent boundary layer flows. The bleed flows were measured by an orifice. The ratio of the bleed mass flow to main mass flow was controlled below the range of 11 per cent. Time-mean and fluctuating wall pressures were measured, and Schlieren optical observations were made to investigate time-mean flow field. Time variations in the shock wave displacement were obtained by a high-speed camera system. The results show that boundary layer suction by slits considerably reduce shock-wave oscillations. For the design Mach number of 2.3, the maximum amplitude of the oscillating shock-wave reduces by about 75% compared with the case of no slit for boundary layer suction.
When a shock wave discharges from an open end of a duct, an impulse wave is generated outside the duct, causing serious noise and vibration problems. The magnitude of the impulse wave can be reduced by installing of a perforated duct. In the current study, the characteristics of the impulse wave discharged from the exit of a perforated duct are numerically investigated. A TVD (total variation diminishing) scheme is used to solve the unsteady, axisymmetric, compressible Euler equations. In computations, the porosity of a perforated pipe $(\sigma)$ and the Mach number of incident shock wave $(M_s)$ are varied in the range of $\sigma=0\~19\%\;and\;M_s=1.01\~1.50$, respectively. The results show that the directivity and magnitude of impulse wave strongly depend upon the Mach number of incident shock wave and the porosity of the perforated pipe. The present CFD results are in close agreement with experimental results.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2007.04a
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pp.299-302
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2007
The aerodynamics of a projectile overtaking a moving shock wave is analyzed using a chimera scheme. The flow field characteristics for various shock wave Mach number and projectile masse are investigated. the unsteady forces acting on the projectile for both supersonic and impossible overtaking conditions are computed in order to analyze the aerodynamic characteristics of the projectile. It is seen that the projectile Mach number significantly affects the flow fields for both supersonic and impossible overtaking. Unsteady drag is influenced by the overtaking conditions. The unsteady drag coefficient is the highest for the impossible overtaking condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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