The present study addresses the flow characteristics involved in the self-induced oscillations of the underexpanded jet impinging upon a cylindrical body. Both experiment and computational analysis are carried out to elucidate the shock motions of the self-induced oscillations and to find the associated major flow factors. The underexpanded sonic jet is made from a nozzle and a cylindrical body is placed downstream to simulate the impinging jet upon an obstacle. The computational analysis using TVD scheme is applied to solve the axisymmetric, unsteady, inviscid governing equations. A Schlieren system is employed to visualize the self-induced oscillations generated in flow field. The data of the shock motions are obtained from a high-speed video system. The detailed characteristics of the Mach disk oscillations and the resulting pressure variations are expatiated using the time dependent data of the Mach disk positions. The mechanisms of the self-induced oscillations are discussed in details based upon the experimental and computational results.
Accurate simulation of jet plume exhausting into the open space as well as onto the opposing wall is of interest both numerically and physically; the latter, from a system designer's point of view. In the current work, Navier-Stokes computation is undertaken to capture the flow pattern of a supersonic jet impinging onto a rectangular duct which deflects the vertical jet horizontally. Of particular interest are the flow structure in the jet exhaust area, pressure pattern and the magnitude of pressure force at the bottom wall. Usefulness of present characteristic boundary condition applied at the exiting plane of the duct is demonstrated by capturing such complex flow structures for different lengths of the deflection duct.
Experiments are performed to investigate the detailed structure of underexpanded twin jet impinging on a perpendicular flat plate. The major parameters, such as nozzle operating pressure and nozzle spacing, are varied to create different jet flow fields resulted from the complicated interactions of the twin jets. From the surface pressure measurements and shadowgraphs taken by schlieren optical system, the jet structure is strongly dependent on the nozzle operation pressure and the spacing. The results obtained show that the closer nozzle spacing may induce to decrease the diameter of the Mach disk within the first shock cell in the underexpanded twin jet. With the increasing nozzle operating pressure and decreasing the nozzle spacing, a new shock wave appears at the entrainment region between the two jets, due to the enhancement of mixing effect of the both jets. The closer nozzle spacing makes the overall impinging pressure level higher, while severe pressure oscillation along the axis of symmetry. Furthermore it is recommended the wider spacing to obtain higher thrust under the present experimental conditions.
It is well known that screech tones of supersonic jet are generated by a feedback loop driven by the instability waves. Near the nozzle lip where the supersonic jet mixing layer is receptive to external excitation, acoustic disturbances impinging on this area excite the instability waves. This fact implies that the nozzle lip thickness can influence the screech tones of supersonic jet. The objective of the present study is to experimentally investigate the effect of nozzle-lip thickness on screech tones of supersonic jets issuing from a convergent-divergent nozzle. A baffle plate was installed at the nozzle exit to change the nozzle-lip thickness. Detailed acoustic measurement and flow visualization were made to specify the screech tones. The results obtained obviously show that nozzle-lip thickness significantly affects the screech tones of supersonic jet, strongly depending on whether the jet at the nozzle exit is over-expanded or under-expanded.
본 논문은 제트 편향기 기초 설계 자료를 제시하기 위하여 쐐기 형상의 제트 편향기에 충돌하는 초음속 제트에 관한 연구이다. 설계 마하수 2, 초음속 유동장치를 이용하여 초음속 제트가 꼭지각 $90^{\cire}$ 쐐기에 충돌할 때 중심선에서 표면압력분포, 유동 가시화, 압력 등 분포에 대해 실험 연구를 수행하고 유동해석 결과와 비교하였다. 쐐기가 노즐 출구면에 위치할 때는 제트가 충분히 발달하지 못해 과소팽창비의 영향이 없었지만, 노즐 출구로부터 거리가 멀어지면서 과소팽창비가 커지면 쐐기 표면에서 압력 회복율은 저하했다. 압력 등 분포에서는 쐐기 표면에서 최대 압력이 형성된 영역을 확인하였다.
TNumerical simulations of the supersonic impinging jet flows are carried out using the 3D Navier-Stokes code. This paper is focuses on the unsteady flow features associated with stagnation bubbles and other oscillatory behavior. The 3D code was validated by reproducing the results of Lamont's experiments. Computation is carried out for the cases in which the unsteadiness of the plate shock has been observed experimentally. The computational results confirm the oscillatory feature in several kHz. Unsteady calculation with algebraic turbulence model is also performed. It is found that the laminar and turbulent results have some discrepancy in the transient period. However, both of them reveal the oscillatory behavior with similar frequency.
초음속 부족팽창제트가 충돌할 때 유동장은 매우 복잡한 유동구조를 나타낸다. 본 연구에서는 음속노즐 출구 직경의 1.5배 거리에 경사각 $60^{\cire}$~$90^{\cire}$로 설치된 평판에 미치는 초음속 제트에 대해 쉴릴렌 장치를 이용하여 유동구조를 가시화 하였으며, 평판 위에 작용하는 압력분포를 측정하였고 감열지를 이용하여 평판 표면 유동을 가시화하여 기존의 연구결과와 비교하였다. 연구결과 간단한 방법으로 저마하수에서의 평판 유동을 가시화 할 수 있는 방법을 제시하고 충돌제트의 유동구조를 규명하였다.
충돌제트는 미사일 또는 수직/단거리 이착륙기의 배기가스가 지면이나 화염 편향기 등에 부딪힐 때 발생하며 노즐의 형상, 노즐과 평판과의 거리등에 따라 유동양상이 달라진다. 본 연구에서는 초음속 노즐을 통해 과소 팽창된 제트가 평판에 부딪힐 때 형성되는 평판 압력분포 및 버블 발생 등에 대한 시험결과를 선행된 충격파 풍동을 이용한 시험 결과와 비교하고 초음속 유동시험장치 이용시의 유동 특성을 규명하였다. 초음속 유동시험장치와 충격파 풍동의 평판에서 압력분포는 저압 챔버 내의 수분과 온도 때문에 차이가 나타났고 과소 팽창비에 따른 압력분포는 서로 유사한 경향을 보여주었다.
A numerical study of underexpanded jet and impingement on a wall mounted at various distances from the nozzle exit is presented. The 3-dimensional Wavier-Stokes equations and κ-ω turbulence equations are solved. The grids are constructed as overlapped grid systems to examine the distance effect. The DADI method is applied to obtain steady-state solutions. To avoid numerical instability such as the carbuncle phenomena that sometimes accompany approximate Riemann solver, the HLLE+ scheme is employed for the inviscid flux at the cell interfaces. A goal of this work is to apply a number of two-equation turbulence models based on the w equation to the impinging jet problem.
A numerical study of underexpanded jet and impingement on a wall mounted at various distances from the nozzle exit is presented. The 3-dimensional Navier-Stokes equations and $\kappa-\omega$ turbulence equations are solved. The grids are constructed as overlapped grid systems to examine the distance effect. The DADI method is applied to obtain steady-state solutions. To avoid numerical instability such as the carbuncle that sometimes accompany approximate Riemann solver, the HLLE+ scheme is employed for the inviscid flux at the cell interfaces. A goal of this work is to apply a number of two-equation turbulence models based on the $\omega$ equation to the impinging jet problem.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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