This work presents numerical optimization for design of staggered arrays of dimples printed on opposite surfaces of a cooling channel with a fast and elitist Non-Dominated Sorting of Genetic Algorithm (NSGA-II) of multi-objective optimization. As Pareto optimal front produces a set of optimal solutions, the trends of objective functions with design variables are predicted by hybrid multi-objective evolutionary algorithm. The problem is defined by three non-dimensional geometric design variables composed of dimpled channel height, dimple print diameter, dimple spacing and dimple depth to maximize heat transfer rate compromising with pressure drop. Twenty designs generated by Latin hypercube sampling were evaluated by Reynolds-averaged Navier-Stokes solver and the evaluated objectives were used to construct Pareto optimal front through hybrid multi-objective evolutionary algorithm. The optimum designs were grouped by k-mean clustering technique and some of the clustered points were evaluated by flow analysis. With increase in dimple depth, heat transfer rate increases and at the same time pressure drop also increases, while opposite behavior is obtained for the dimple spacing. The heat transfer performance is related to the vertical motion of the flow and the reattachment length in the dimple.
A gas-liquid centrifugal separator is widely used in industry because of its simple geometry and little maintenance. Also, these separators have considerable advantages over filters, scrubbers or precipitators in term of compact design, low pressure drop and higher capacity. A gas-liquid centrifugal separator is a device that utilizes centrifugal force and low pressure to separate liquid from gas by density difference. Design parameters such as length of separation space, swirl vane exit angle, inlet to outlet pipe diameter ratio, models for separation efficiency and low pressure drop as a function of physical dimension are not available in literature. In present study, length of separation space (from vane to gas exit opening) has been studied using CFD. The 3-D Navier-Stokes equations are numerically solved using a fully implicit finite volume scheme. Based upon the obtained solutions, tangential velocities, centrifugal forces, vortices and total pressure losses are analyzed to find the best design parameters.
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.
Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics
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v.14
no.4
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pp.1-10
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2006
A computational study was carried out in order to investigate the ground effect of a circular cylinder in the presence of a moving wall at a Reynolds number of 2.0${\times}$104. The viscous-incompressible Navier-Stokes equations and Spalart-Allmaras turbulent model of the commercial CFD code were adopted for this numerical analysis. The moving wall was set parallel with the freestream, and the speed of motion was equal to the freestream velocity. The gap ratio is defined as the distance ratio between the circular cylinder diameter and the height from the moving wall. The numerical results show that there are the differences among the each of the stages in evidence of the vorticity contours and the polar diagrams of $C_l$ vs. $C_d$. The 4 stages of the gap ratio are defined according to the flow features, whose stages are divided into small, intermediate, large and convergence gap ratios, respectively.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.55
no.2
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pp.169-177
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2018
Twisted rudder, twisted rudder with bulb, and twisted rudder with bulb and fin have been developed computationally for 3,000 TEU container ship through parametric study. The objective function is to minimize delivered power in model scale. Design variables are twisted angle, rudder bulb diameter and fin angle. The governing equation is Reynolds averaged Navier-Stokes equations in an unsteady turbulent flow and the Reynolds stress model applied for the turbulent closure. A double body model is used for the treatment of free-surface. The calculation was carried out in towing and self-propulsion conditions at design speed. The sliding mesh technique was employed to simulate the flow around the propeller. Form factor is obtained from the towing computation. Self-propulsion point is obtained from the self-propelled computations at two propeller rotating speeds. The delivered power due to the designed twisted rudder, twisted rudder with bulb, and twisted rudder with bulb and fin are reduced by 1.1%, 1.6%, and 2.0%, respectively.
Abadi, M. Heydari Nosrat;Darvishi, H. Hassanpour;Nouri, A.R. Zamani
Computers and Concrete
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v.24
no.5
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pp.445-452
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2019
In this paper, dynamic stress, strain and deflection analysis of concrete pipes conveying nanoparticles-water under the seismic load are studied. The pipe is buried in the soil which is modeled by spring and damper elements. The Navier-Stokes equation is used for obtaining the force induced by the fluid and the mixture rule is utilized for considering the effect of nanoparticles. Based on refined two variables shear deformation theory of shells, the pipe is simulated and the equations of motion are derived based on energy method. The Galerkin and Newmark methods are utilized for calculating the dynamic stress, strain and deflection of the concrete pipe. The influences of internal fluid, nanoparticles volume percent, soil medium and damping of it as well as length to diameter ratio of the pipe are shown on the dynamic stress, strain and displacement of the pipe. The results show that with enhancing the nanoparticles volume percent, the dynamic stress, strain and deflection decrease.
This paper presents a high-efficiency design technique for developing the serialized models of a single-channel pump based on the diameter, flow rate and head as the main performance parameters. The variation in pump performance by changing of the single-channel pump geometry was predicted based on computational fluid dynamics (CFD). Numerical analysis was conducted by solving three-dimensional steady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport (SST) turbulence model. The tendencies of the hydraulic performance depending on the pump geometry scale were analyzed with the fixed rotational speed. These performances were expressed and evaluated as the functionalization for designing the serialized models of a single-channel pump in this work.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2016.05a
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pp.386-390
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2016
Water aeration is an effective water treatment process, which involves the injection of air or air-water mixture into water treatment reservoir commonly through pipes. The main purpose of water aeration is to maintain healthy levels of dissolved oxygen (DO), which is the most important water quality factor. The pipes' operating conditions are important for controlling the efficiency and effectiveness of aeration process. Many studies have been conducted on two-phase flows in pipes, however, there are a few studies to deal with small s ale in millimeter. The main objective of this study is to perform 2-dimensional two-phase simulations inside various straight pipes using the computational fluid dynamic (CFD) OpenFOAM (Open source Field Operation And Manipulation) tools to examine the influence of flow patterns on bubble size, which is closely related to DO concentration in a water body. The both flow regimes, laminar and turbulence, have been considered in this study. For turbulence, Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) has been applied. The coalescence and breakage of bubbles caused by random collisions and turbulent eddies, respectively, are considered in this research. Sauter mean bubble diameter and water velocity are compared against experimental data. The simulation results are in good agreement with the experimental measurements.
This work investigates the thermo-mechanical vibration frequencies of an embedded composite nano-beam restrained with elastic springs at both ends. Composite nanobeam consists of a matrix and short fibers as reinforcement elements placed inside the matrix. An approach based on Fourier sine series and Stokes' transform is adopted to present a general solution that can examine the elastic boundary conditions of the short-fiber-reinforced nanobeam considered with the Halpin-Tsai model. In addition to the elastic medium effect considered by the Winkler model, the size effect is also considered on the basis of nonlocal strain gradient theory. After creating an eigenvalue problem that includes all the mentioned parameters, this problem is solved to examine the effects of fiber and matrix properties, size parameters, Winkler stiffness and temperature change. The numerical results obtained at the end of the study show that increasing the rigidity of the Winkler foundation, the ratio of fiber length to diameter and the ratio of fiber Young's modulus to matrix Young's modulus increase the frequencies. However, thermal loads acting in the positive direction and an increase in the ratio of fiber mass density to matrix mass density lead to a decrease in frequencies. In this study, it is clear from the eigenvalue solution calculating the frequencies of thermally loaded embbeded short-fiber-reinforced nanobeams that changing the stiffness of the deformable springs provides frequency control while keeping the other properties of the nanobeam constant.
This study conducted experimental observations of the settling velocity of a coarse particle in water varying material type and particle size and compared the results with preexisting empirical equations. Three types of materials, which are polyacetal, glass and steel, were used in this study and the diameter of particle ranged from 1 mm to 20 mm. Experiment results showed that the settling velocity of coarse particle had a significant difference from Stokes equation which is known applicable for a fine particle smaller than $50{\mu}m$. In addition, the observed particle velocity showed a significant difference when compared with other empirical equations, which was proposed for estimating the settling velocity of a particle regardless of particle size, depending on the material type and particle size. The results from experimental observations indicated that the settling velocity of a coarse particle was relatively in smaller difference to other empirical equations for the particle size smaller than 3 mm, but as the size increased the difference in the settling velocity also increased. This study clearly showed that the settling velocity of a coarse particle velocity can be significantly different depending on particle size and density and the empirical equations may not reliably estimate the settling velocity of a coarse particle so that they should not be used as it is and a verification of them is necessarily before any use. The study results would provide a useful information for a better understanding of settling velocity of a particle in water.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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