In this paper, we report the numerical and experimental solutions of the vortical flows driven by an impingement of fluid from the bottom wall of a circular cylinder. We managed to visualize successfully the flow pattern shown on the vertical plane through the container axis. The numerical results are shown to compare well with the experimental results for the case of infinity Rossby number. The satisfactory agreement between the two results was possible when in the numerics the free surface was treated as a solid wall so that a no-slip condition was applied on the surface. The numerical solutions reveal that inertial oscillation plays an important role at small Rossby numbers, or at a large background rotation.
In the present study, a CFD program based on a finite volume method was developed by using an unstructured polyhedral grid system for the accurate simulation with the complex geometry of computational domain. To simulate the transient flow induced by the moving solid object, the program used a fractional step method and a ALE (Algebric Lagrangian-Eulerian) method. The grid deformation for the moving of solid object were performed with a spring analogy based on the center coordinate of each computational grid. To verify the present program with these methodologies, the numerical results of the flow around the fixed and oscillating circular cylinder were compared with the previous numerical results.
In this study, we consider heat transfer enhancement in laminar channel flow by means of an infinite streamwise array of equispaced identical circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall. An immersed boundary method was employed to facilitate to implement the cylinders on a Cartesian grid system. No-slip condition is employed at all solid boundaries including the cylinders, and the flow is assumed to be periodic in the streamwise direction. Also, the Prandtl number is fixed as 0.7. For thermal boundary conditions on the solid surfaces, it is assumed that heat flux is constant on the channel walls, while the cylinder surfaces remain adiabatic. The presence of the circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to heat transfer enhancement on the channel walls. The Nusselt number averaged on the channel wall is presented for the wide ranges of Reynolds number and the gap. A significant heat transfer enhancement is noticed when the gap is larger than 0.8, while the opposite is the case for smaller gaps. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of varying the gap to enhance heat transfer from the channel walls.
In the fully developed pipe flow, when jet is injected in cross to the flow there are complex transition flows caused by interaction of the cross flow and jet. These interactions are studied by means of the flow visualization methods and frequency analysis using a hot-wire anemometer. The velocity range of cross flow of the pipe is 0.3 m/s ~ 1.2 m/s and the corresponding Reynolds number, R$\sub$p/, based on the pipe diameter is 2.25 * 10$\^$3/ ~ 9.02 * 10$\^$3/. The velocity ratio (R), jet velocity/cross flow velocity, is chosen from 2 to 10. A circular cylinder is placed in the pipe instead of jet to observe the vortex shedding from the solid body. To compare the jet and circular cylinder flow, the vortical structure is analyzed in both cases and the structure of vortices and the origin of its formation are investigated, especially. The vortex shedding of the dominant coherent structure is compared between the jet flow and the circular cylinder flow. In the case of the jet flow, the Strouhal numbers are different depending on the existence of the upright vortex as well as the velocity ratio (R).
In this study, we consider the characteristics of channel flow in the presence of an infinite streamwise array of equispaced identical rotating circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall for some selected angular speeds. An immersed boundary method was employed to facilitate implementing the cylinders on a Cartesian grid system. No-slip condition is employed at all solid boundaries including the cylinders, and the flow is assumed to be periodic in the streamwise direction. The presence of the rotating circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to increase of mean friction on the channel walls. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of rotating cylinders to modify flow topology, which might be used to enhance heat transfer on the channel walls.
A hybrid particle-mesh method as the combination between the Vortex-In-Cell (VIC) method and penalization method has been achieved in recent years. The VIC method, which is based on the vorticity-velocity formulation, offers particle-mesh algorithms to numerically simulate flows past a solid body. The penalization method is used to enforce boundary conditions at a body surface with a decoupling between body boundaries and computational grids. The main advantage of the hybrid particle-mesh method is an efficient implementation for solid boundaries of arbitrary complexity on Cartesian grids. However, a numerical simulation of flows in large domains is still not too easy. In this study, a multi-domain approach is thus proposed to further reduce computation cost and easily implement it. We validate the implementation by numerical simulations of an incompressible viscous flow around an impulsively started circular cylinder.
본 연구에서는 파라핀을 채운 수평 원관의 관벽을 가열하여 축열할 때에 관내에서 일어나는 열전달현상을 다루었다. 용융이 진행됨에 따라 고액 밀도차에 의해서 고상이 아래로 가라앉는 침강형을 대상으로 하여 고상 윗부분의 액상에서는 자연대류를 고려한 열전달모델을 세우고, 고상의 하부와 관벽 사이의 액막에서는 중력과 부력 그리고 액막 내의 압력에 의한 힘간의 평형관계를 이용하여 액막 내에서의 열전도모델을 세워 이를 수치모사하여 이론적으로 해석하였다. 그리고 실제 실험에 의하여 시간에 따른 용융형태를 사진으로 기록하여 이를 분석함으로써 용융량을 구하였고 유동장을 가시화하여 이론적 결과와 비교하였다. 실험에서 얻은 전체 용융량을 상부액상과 하부액막에서 녹은 양으로 구분하여 용융이 진행됨에 따른 각 부분에서의 용융속도 변화를 알아보았다.
In this paper, the spin-up from rest to a state of solid-body rotation in a circular container with a slender rectangular obstacle on the bottom wall is analysed experimentally. We use a PIV method for the evolution of the free-surface flow. Laboratory experiments have been carried out for a variety of the obstacle height h(0, 5, 10 [mm]) and the liquid depth H(25, 50, 75, 100 [mm]). It was found that the spin-up time is crucially dependent on the obstacle height T. In the case of T=10[mm] the spin-up time is considerably shorter then the other cases.
Mixing is most important for developing an electric washer which transforms angular momentum from rotating solid wall to laundry clothes inside it. For magnification of this mixing effect, some inventions are introduced to washing machine system, i. e., washing plate, washing rod, and even for washing cap in a model of a Korean manufacture. However, the previous efforts show dissatisfaction up till now. In this paper, a triumph to enhance mixing effects to increase washing performance is presented and verified by numerical investigation. The present model to simulate a washing tub is the simple circular cylinder with two endwall disks which is completely filled with a viscous liquid. The present improvement is to change mounting position of a bottom disk of the model cylinder. Therefore, the aim of this work just proposes a new idea, which is numerically inspected, to a producer of washing machine, In detail, this invention is alternating the mounting position of a rotating bottom disk. Actually skewed pulsator is placed in steady of a flat disk, so the two endwall disks at top and bottom are not in parallel. The angle between an inclined bottom disk and the horizontal plane is fixed as 5 degree and physical domain to consider poses a sliced cylinder. Flow fields in both a right circular cylinder and the present improved model are fully depicted by numerical integration on a body fitted nonorthogonal regular uniform grid system. Numerical data to explain flow structure are plotted for understanding of the effects of the inclined disk. Also enhanced mixing effects by the inclined rotating disk are gauged by accurate numerical data used in this work.
A rich phenomenon in the dynamics of azimuthal vortices in a circular cylinder caused by the inertial oscillation is investigated numerically at high Reynolds numbers and moderate Rossby numbers. In the actual spin-up flow where both the Ekman circulation and the bottom friction effects are included, the first appearance of a seed vortex is generated by the Ekman boundary-layer on the bottom wall and the subsequent roll-up near the corner bounded by the side wall. The existence of the small vortex then rapidly propagates toward the inviscid region and induces a complicated pattern in the distribution of azimuthal vorticity, i.e. inertial oscillation. The inertial oscillation however does not deteriorate the classical Ekman-pumping model in the time scale larger than that of the oscillatory motion. Motions of single vortex and a pair of vortices are further investigated under a slip boundary-condition on the solid walls. For the case of single vortex, repeated change of the vorticity sign is observed together with typical propagation of inertial waves. For the case of a pair of vortices with a two-step profile in the initial azimuthal velocity, the vortices' movement toward the outer region is resisted by the crescent-shape vortices surrounding the pair. After touching the border between the core and outer regions, the pair vortices weaken very fast.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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