In this paper we look at the three dimensional stagnation point flow problem over a rough rotating disk. We study the theoretical behaviour of the stagnation point flow, or forced flow, in the presence of a slip factor in which convective instability stationary modes appear. We make a numerical investigation of the effects of slip on the behaviour of the flow components of the stagnation point flow where the disk is rough. We provide, for the first time in the literature, a complete convective instability analysis and an energy analysis. Suitable similarity transformations are used to reduce the Navier-Stokes equations and the continuity equation into a system of highly non-linear coupled ordinary differential equations, and these are solved numerically subject to suitable boundary conditions using the bvp4c function of MATLAB. The convective instability analysis and the energy analysis are performed using the Chebyshev spectral method in order to obtain the neutral curves and the energy bars. We observe that the roughness of the disk has a destabilising effect on both Type-I and Type-II instability modes. The results obtained will be prominently treated as benchmarks for our future studies on stagnation flow.
As the second part of the author's study, the aerodynamic blockage and the slip factor of 8 centrifugal compressor impellers are investigated, when the flow rate is changed from numerical stall to choke, using three-dimensional Navier-Stokes analysis results. Based on all the exit blockage distributions, an improved model equation with two adjusting coefficients is developed for the use in design processes with the agile engineering purpose. A popular expression of constant slip factors, the Wiesner's equation, cannot be applied in design processes when more accurate prediction is strongly required at design and off-design points. Slip factor variation is found to be also influenced by the blade loadings at midspan. When the flow rate is changed, a pattern of the slip factor variations is assumed to be a simple form which can be explained using midspan blade loading distributions.
Three dimensional numerical study was carried out to investigate the effect of aspect ratio on microchannel flow. We considered five straight rectangular channels with aspect ratios (height/width) 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0. Nitrogen gas flow was investigated for both slip and noslip wall boundary conditions. Isothermal wall condition was assumed. We used control volume method for this simulation. The slip velocity increases with the increase of aspect ratio. Friction coefficient decreases with the increase of aspect ratio. Slip friction coefficient is lower than noslip friction coefficient. Mass flow rate of slip model is higher than that of noslip model. We compared our results with the experimental result reported in the literature. The agreement was good.
NSBT(No Slip Boundary Treatment) is a newly developed scheme for the treatment of a no slip condition on the solid wall of obstacle in a flow field. In our research, NSBT was used to perform LBM simulation of a flow over a circular cylinder to determine the flow feature and aerodynamics characteristic of the cylinder. To ascertain the applicability of NSBT on the complex shape of the obstacle, it was first simulated for the case of the flow over a circular and square cylinder in a channel and the results were compared against the solution of Navier-Stokes equation. The simulations were performed in a moderate range of Reynolds number at each cylinder position to identify the flow feature and aerodynamic characteristics of circular cylinder in a channel. The drag coefficients of the cylinder were calculated from the simulation results. We have numerically confirmed that the critical reynolds number for vortex shedding is in the range of 200$\sim$250. For the gap parameter $\gamma$ = 2 cases at Re > 240, the vortex shedding were symmetric and it resembled the Karmann vortex. As the cylinder approached to one wall, the vorticity significantly reduced in length while the vorticity on the other side elongated and the vorticity combined with the wall boundary-layer vorticity. The resultant $C_d$ by LBM concurred with the results of DNS simulation performed by previous researchers.
A study on the sloshing flow of highly-viscous fluid in a rectangular box was made by both of theoretical approach and experimental visualization method. Assuming a smallness of external forcing to oscillate the container, it was investigated a linear sloshing flow of highly-viscous fluid utilizing asymptotic analysis by Taylor-series expansion as a small parameter Re (≪1) in which Re denotes Reynolds number. The theory predict that, during all cycles of sloshing, a linear shape of free surface will prevail in a bulk zone and it has confirmed in experiment. The relevance of perfect slip boundary condition, adopted in theoretical approach, to the bulk zone flow at the container wall was tested in experiment. It is found that quasi-steady coated thin film, which makes a lubricant layer between bulk flow and solid wall, is generated on the wall and the film makes a role to perfect slip boundary condition.
A model harbour with Plan scale of $1.08{\times}1.08m$ is built on a tidal tank using a Froude relationship from a real harbour($432{\times}432m$). Velocity components are measured by a ultrasonic velocity meter and flow structure is then predicted using a 2-D depth integrated hydrodynamic model. In the finite difference model implemented in this study, various wall boundary conditions, i.e. no-slip, free-slip, partial-slip and semi-slip are used to represent turbulent diffusion terms, e.g. ${\partial}^2U_{ij}/{\partial}x^2\;or\;{\partial}^2U_{ij}/{\partial}y^2$. These conditions are focused to investigate their influence on the flow structure along the wall and basin of the harbour with aspect ratio of unity, i.e. Length/Breadth. Numerical experiments are compared with the measurements and used to analyse flow patterns in the basin during tidal cycles. It is shown from the results that no-slip closed boundary condition is the most appropriate method with respect to the location of the eddy centre, although the condition underestimates velocity components along the wall.
Recently micro shock tube is extensively being used in many diverse fields of engineering applications but the detailed flow physics involved in it is hardly known due to high Knudsen number and strong compressibility effects. Unlike the macro shock tube, the surface area to volume ratio for a micro shock tube is very large. This unique effect brings many complexities into the flow physics that makes the micro shock tube different compared with the macro shock tube. In micro shock tube, the inter- molecular forces of working gas can play an important role in specifying the flow characteristics of the unsteady shock wave flow which is essentially generated in all kinds of shock tubes. In the present study, a CFD method was used to predict and visualize the unsteady shock wave flows using the unsteady compressible Navier-Stokes equations, furnished with the no-slip and slip wall boundary conditions. Maxwell's slip equations were used to mathematically model the shock movement at high Knudsen number. The present CFD results show that the propagation speed of the shock wave is directly proportional to the initial pressure and diameter of micro shock tube.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.1
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pp.163-168
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1991
During Compression molding of polymeric composite materials, the flow characteristics should be obtained. Understanding the flow states may be useful for determination of optimum molding conditions, charge pattern etc. So far, for obtaining the flow analysis, no-slip boundary condition was applied on the mold surface. However, The study under consideration of the slip was conducted by Barone and Caulk. They have introduced the nondimensional parameter which is the ratio of viscous to friction resistance and governs the frictional condition. But the method for determining the parameter could not be proposed. In our work, the parameter which explains the interfacial friction is measured under a variety of molding conditions. Two-dimensional rectangular part and circular hollow disk are simulated with the measured parameter using the finite element method. Effects of the parameter on shapes of flow fronts are also presented.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.32
no.2
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pp.219-227
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2015
A dehumidifier using a thermoelement has many advantages compare to a dehumidifier using compressor systems. However, it is crucial to optimize the performance of heat sink for improving heat dissipation problem on the heat generation part. In this study, we utilized computational fluid dynamics software to compare Nusselt number, temperature and system efficiency based on fin thickness, flow gap between fin and fin length. Moreover, slip flow on the boundary layer was applied for the further analysis. Our objective in this study is to suggest an optimal fin shape to improve heat transfer with the tendency of performance factor depending on change of the shapes. Our results on the optimization of fin shape and analysis of slip flow will be utilized to enhance the heat transfer in the heat sink which is important in the design of dehumidifier using a thermoelement.
Sung Jaeyong;Ahn Youngkyoo;Lee Sukjong;Lee Myeong Ho
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.1
s.244
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pp.1-7
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2006
The characteristics of micro gaseous flows in microchannels have been analyzed in view of flow resistance using the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method which is a molecule-based numerical modeling technique. For this purpose, a DSMC code where the pressure boundary condition was specified at the inlet and outlet, has been developed and the results of simulations showed satisfactory agreements with the analytic solution in the slip flow regime. (0.01 < Kn < 0.1) By varying the height and length of the microchannel, the effect of pressure difference between the inlet and outlet was examined. The present computation indicates that the curvature in pressure distribution along the channel increases due to the effect of compressibility when the pressure difference increases. To obtain the flow resistance regardless of the channel dimensions, a standard curve is devised in the present study by introducing the concept of unit mass flowrate and unit driving pressure force. From this curve, it is shown that in micro flows, a significant deviation from the laminar incompressible flow occurs by reducing the flow resistance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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