Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.3
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pp.373-380
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2001
In this study, a single Taylor bubble and a train of Taylor bubbles rising in a vertical tube were simulated numerically. A finite difference method was used to solve the mass and momentum equations for the liquid-gas region. The liquid-gas interface was captured by a level set function which is defined a signed distance from the interface. For a train of Taylor bubbles repeated periodically in space, the periodic conditions were imposed at the boundaries normal to the gravitational direction and the pressure boundary conditions were iteratively determined so that the computed flow rate should be equal to a given flow rate. Based on the numerical simulation, the calculated shape and rise velocity of a Taylor bubble were found to be in good agreement with the experimental data reported in the literature.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.27
no.10
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pp.520-526
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2015
The characteristics of gas-liquid Taylor (Slug) flow in a square micro-channel of $600{\sim}600{{\mu}m}$ were investigated experimentally in this paper. The test fluids were nitrogen and water. The liquid and gas superficial velocities were 0.01~3 m/s and 0.1~3 m/s, respectively. Bubble and liquid slug length, bubble velocity, and frequency were measured by analyzing optical images using a high speed camera. Bubble length decreased with higher liquid flow rate, which increased dramatically with higher gas flow rate. However, slug length did not vary with changes in inlet liquid conditions. Additionally, bubble velocities and frequencies increased with higher liquid and gas flow rates. It was found that measured bubble lengths were in good agreement with the empirical models in the existing literature, but slug lengths were not.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.7
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pp.557-566
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2015
The characteristics of a gas-liquid Taylor (slug) flow in a square micro-channel with dimensions of $600{\mu}m{\times}600{\mu}m$ are experimentally investigated in this paper. The test fluids were nitrogen and water. The superficial velocities of the liquid and gas were in the ranges of 0.01 - 3 m/s and 0.1 - 3 m/s, respectively. The bubble and liquid slug lengths, bubble velocities, and bubble frequencies for various inlet conditions were measured by analyzing optical images obtained with a high-speed camera. It was found that the measured values (bubble and liquid slug lengths, bubble velocities) were not in good agreement with the values obtained using empirical models presented in the existing literature. Modified models for the bubble and liquid slug lengths and bubble velocity are suggested and shown to be in good agreement (${\pm}20$) with the measured values. Moreover, the bubble frequency could be predicted well by the relationship between the unit cell length and its velocity.
We consider the multi-harmonic model for the bubble evolution in the Rayleigh-Taylor instability in two and three dimensions. We extend the multi-harmonic model in two dimensions to a high-order and present a new class of steady-state solutions of the bubble motion. The growth rate of the bubble is expressed by a continuous family of two free parameters. The critical point in the family of solutions is identified as a saddle point and is chosen as the physically significant solution. We also present the multi-harmonic model in the cylindrical geometry and find the steady-state solution of the axisymmetric bubble. Validity and limitation of the model are also discussed.
In order to visually analyze the flow characteristics, gas was injected into the liquid bath through nozzle installed at the center of bottom of the bath. When gas was injected into the liquid bath, several flow patterns were observed bubble-liquid plumb, the spout flow that occurred at the free surface, liquid circulation flow by bubble's behavior, etc. Various bubbles, from small bubbles to Taylor bubbles, consisted of the bubble-liquid plumb. In the pure liquid region, the large and small several vortices were formed and irregularly circulated. These irregular repetition and circulation play a important role of mixing in the bath. The vortices were developed in the upper and the side wall regions and the movement of flow in the low region was very small. It is known as 'dead zone'.
Shin, Seung Chul;Lee, Gang Nam;Jung, Kwang Hyo;Park, Hyun Jung;Park, Il Ryong;Suh, Sung-bu
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.35
no.1
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pp.38-49
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2021
Slug flow is the most common multi-phase flow encountered in oil and gas industry. In this study, the hydrodynamic features of flow in pipes investigated numerically using computational fluid dynamic (CFD) simulations for the effect of slug flow on the vertical and bent pipeline. The compressible Reynold averaged Navier-Stokes (RANS) equation was used as the governing equation, with the volume of fluid (VOF) method to capture the outline of the bubble in a pipeline. The simulations were tested for the grid and time step convergence, and validated with the experimental and theoretical results for the main hydrodynamic characteristics of the Taylor bubble, i.e., bubble shape, terminal velocity of bubble, and the liquid film velocity. The slug flow was simulated with various air and water injection velocities in the pipeline. The simulations revealed the effect of slug flow as the pressure occurring in the wall of the pipeline. The peak pressure and pressure oscillations were observed, and those magnitudes and trends were compared with the change in air and water injection velocities. The mechanism of the peak pressures was studied in relation with the change in bubble length, and the maximum peak pressures were investigated for the different positions and velocities of the air and water in the pipeline. The pressure oscillations were investigated in comparison with the bubble length in the pipe and the oscillation was provided with the application of damping. The pressures were compared with the case of a bent pipe, and a 1.5 times higher pressures was observed due to the compression of the bubbles at the corner of the bent. These findings can be used as a basic data for further studies and designs on pipeline systems with multi-phase flow.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.6
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pp.443-453
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2009
The Rayleigh-Taylor instability, the bubble rising in both partially and fully filled containers and the droplet splash are simulated by an in-house solution code(PowerCFD), which are typical benchmark problems among multiphase flows with material interface due to density difference. The present method(code) employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with interface capturing method(CICSAM) in a volume of fluid(VOF) scheme for phase interface capturing. The present results are compared with other numerical solutions found in the literature. It is found that the present method simulates efficiently and accurately complex free surface flows such as multiphase flows with material interface due to both density difference and instability.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.16
no.4
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pp.225-234
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2012
We present two high-order potential flow models for the evolution of the interface in the Rayleigh-Taylor instability in two dimensions. One is the source-flow model and the other is the Layzer-type model which is based on an analytic potential. The late-time asymptotic solution of the source-flow model for arbitrary density jump is obtained. The asymptotic bubble curvature is found to be independent to the density jump of the fluids. We also give the time-evolution solutions of the two models by integrating equations numerically. We show that the two high-order models give more accurate solutions for the bubble evolution than their low-order models, but the solution of the source-flow model agrees much better with the numerical solution than the Layzer model.
It is well known that an air bubble trapped in water emits light at its collapse robustly with a proper forcing amplitude of ultrasound. Instability mechanism which causes deviation from sphericity of bubble wall was investigated theoretically. The rapid change of the bubble wall velocity which is both dependent on the forcing amplitude, was found to be a major factor of instability of the interface. The Rayleigh-Taylor instability which occurs when rapid acceleration is directed from the lighter towards the heavier fluid is found to be not related to the instability of the sonoluminescing gas bubble. A good agreement between the calculation results and experimental data is found.
In the application of the RETRAN code to the analysis of very small LOCA one of main concerns is placed on use of the bubble rise model in the upper plenum, because the bubble rise model nay cause a numerical divergence problem and coefficients used to describe it are based on experimental results of large LOCA. In order to solve this problem, a method, which enables us to predict the mixture level in the upper plenum without use of the bubble rise model, was proposed. For this method the local void distribution in the core and upper plenum was derived by using a simplified slip model. It was shown that results predicted from the derived equation are in excellent agreement with experimental data. Additionally it was found that local void in the upper plenum has a uniform distribution unlike a linear distribution in large LOCA. Communication between the upper plenum and upper head was investigated. By introducing the concept of Taylor instability, it was proved that counter-current Hon between them is possible.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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