In order to study unsteady aerodynamic loads on high speed trains passing by each other at the speed of 350km/h, three-dimensional flow fields around trains during the crossing event are numerically simulated using the three-dimensional Euler equations. The Roe's FDS with MUSCL interpolation is employed to simulate wave phenomena properly. An efficient moving grid system based on domain decomposition techniques is developed to analyze the unsteady flow field induced by the restricted motion of a train on a rail. The numerical simulations of the trains passing by on the double-track are carried out to study the effect of the train nose-shape, the train length and the existence of tunnel when the crossing event occur. Unsteady aerodynamic loads side force and drag force-acting on the train during the crossing are numerically predicted and anlayzed. It is found that the strength of the side force mainly depends on the nose-shape, and that of drag force on tunnel existence. And it is observed that the push-pull like impulsive force successively acts on each car and acts in different directions between the neighborhood cars. The maximum change of the impulsive force reaches about 3 tons. These aerodynamic force data are absolutely necessary for the evaluation of the stability of the high speed multi-car train. The results also indicate the effectiveness of the present numerical method for the simulation of unsteady flow field induced by the bodies in the relative motion.
Lee Young-Ki;Kweon Yong-Hun;Kim Heuy-Dong;Setoguchi Toshiaki
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.19
no.2
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pp.605-617
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2005
A sudden discharge of mass flow from the exit of a duct can generate an impulsive wave, generally leading to undesirable noise and vibration problems. The present study develops an understanding of unsteady flow physics with regard to the impulsive wave discharged from a duct, using a numerical method. A second order total variation diminishing scheme is employed to solve three-dimensional, unsteady, compressible Euler equations. Computations are performed for several exit conditions with and without ground and wall effects under a change in the Mach number of an initial shock wave from 1.1 to 1.5. The results obtained show that the directivity and magnitude of the impulsive wave discharged from the duct are significantly influenced by the initial shock Mach number and by the presence of the ground and walls.
When a shock wave is discharged from the exit of a duct, complicated flow is formed near the duct exit. The flow field is much more complicated under the ground effects or any other objects near the exit of a duct, such as the circumstance near the exit of the high-speed railway tunnel. The resulting flow is essentially three-dimensional unsteady with the effects of strong compressibility. In the current study, three-dimensional flow fields of the weak shock wave which is discharged from the exit of a duct are numerically investigated using a CFD method. Computations are performed for the weak shock wave in the range below 1.5. The results obtained show that the directivity and magnitude of the weak shock discharged strongly depend upon the Mach number of initial shock wave and are significantly influenced by the ground effects.
In this study a pure vector potential method (PVPM) for a three dimensional, unsteady, incompressible flow is proposed. A simplified version for a two dimensional problem is described in detail, and a method to prescribe appropriate boundary conditions is also presented. The resulting numerical algorithm is applied to the cavity flow driven by an impulsively started wall and also to the Stokes' first problem. Some important unsteady/steady features are captured for these two flows, and quantitative agreements of flow variables with available reference database are good.
The development of unsteady three-dimensional incompressible viscous solver based on unsteady physical curvilinear coordinate system is presented. A 12-point finite analytic scheme based on local uniform grid spacing is extended for nonuniform grid spacing. The formulation of a condition is suggested to avoid the oscillation of the series summations produced by the application of the method of separation of variables. SIMPLER and pressure Poisson equation techniques are used for solving a velocity-pressure coupled problem. The matrix is solved using the Generalized Minimal RESidual (GMRES) method to enhance the convergence rate of unsteady flow solver and the Kinematic boundary condition of a free surface flow. It is demonstrated that the numerical solutions of these equations are less mesh sensitive.
Transient and asymmetric density distributions have been investigated by a digital speckle tomography with a novel integration method. Multiple CCD images captured movements of speckles in three angles of view simultaneously because the flows were asymmetric and unsteady. The speckle movements which have been formed by a ground glass between no flow and downward butane flow from an elliptical nozzle have been calculated by a cross-correlation tracking method so that those distances can be transferred to deflection angles of laser rays for density gradients. A novel integration method has been developed to obtain projection data from the deflection angles for the speckle tomography. The unsteady density fields have been reconstructed from the accurate projection values by the digital speckle tomography method using the developed integration method.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.7
no.8
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pp.150-159
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1999
Exhaust system is composed of several parts. Among, them , design of muffler system strongly influences on engine efficiency and noise reduction. So , through comprehension of flow characteristics inside muffler is necessary . In this study , three-dimensional steady and unsteady compressible flow analysis was performed to understand the flow characteristics, pressure loss and amplitude variation of pulsating pressure. The computational grid generation was carried out using commercial preprocessor ICEM CFD/CAE. And the three-dimensional fluid motion inside the muffler was analyzed by STAR-CD, the computational fluid dynamics code. RNG k-$\varepsilon$ tubulence model was applied to consider the complexity of the geometry and fluid motion. The steady and unsteady flow field inside muffler such as velocity distribution, pulsating pressure and pressure loss was examined. In case of unsteady state analysis, velocity of inlet region was converted from measured pulsating pressure. Experimental measurement of pressure and temperature was carried out to provide the boundary and initial condition for computational study under three engine operating conditions. As a result of this study, we could identify the flow characteristics inside the muffler and obtain the pressure loss, amplitude variation of pulsating exhaust gas.
Unsteady sheet cavitation on a three-dimensional twisted hydrofoil was studied using an unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations solver based on a cell-centered finite volume method. As a verification test of the computational method. non-cavitating and cavitating flow over a modified NACA66 foil section was simulated and validated against existing experimental data. The numerical uncertainties of forces and pressure were evaluated for three levels of mesh resolution. The computed pressure on the foil and the cavity shedding behavior were validated by comparing with existing experimental data. The cavity shedding dynamics by re-entrant jets from the end and sides of the cavity were investigated.
High-speed flight vehicle have various cavities. The supersonic cavity flow is complicated due to vortices, flow separation, reattachment, shock waves and expansion waves. The general cavity flow phenomena includes the formation and dissipation of vortices, which induce oscillation and noise. The oscillation and noise greatly affect flow control, chemical reaction, and heat transfer processes. The supersonic cavity flow with high Reynolds number is characterized by the pressure oscillation due to turbulent shear layer, cavity geometry, and resonance phenomenon based on external flow conditions. The resonance phenomena can damage the structures around the cavity and negatively affect aerodynamic performance and stability. In the present study, we performed numerical analysis of cavities by applying the unsteady, compressible three dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equations with the ${\kappa}-{\omega}$ turbulence model. The cavity model used for numerical calculation had a depth(D) of 15mm cavity aspect ratio (L/D) of 3, width to spanwise ratio(W/D) of 1.0 to 5.0. Based on the PSD(Power Spectral Density) and CSD(Cross Spectral Density) analysis of the pressure variation, the dominant frequency was analyzed and compared with the results of Rossiter's Eq.
In order to study unsteady aerodynamic loads on high speed trains passing by each other 350km/h, three-dimensional flow fields around trains during the crossing event are numerically simulated using three-dimensional Euler equations. Roe's FDS with MUSCL interpolation is employed to simulate wave phenomena. An efficient moving grid system based on domain decomposition techniques is developed to analyze the unsteady flow field induced by the restricted motion of a train on a rail. Numerical simulations of the trains passing by on the double-track are carried out to study the effect of the train nose-shape, length and the existence of a tunnel on the crossing event. Unsteady aerodynamic loads-a side force and a drag force-acting on the train during the crossing are numerically predicted and analyzed. The side force mainly depends on the nose-shape, and the drag force depends on tunnel existence. Also. a push-pull (i.e.impluse force) force successively acts on each car and acts in different directions between the neighborhood cars. The maximum change of the impulsive force reaches about 3 tons. These aerodynamic force data are absolutely necessary to evaluate the stability of high speed multi-car trains. The results also indicate the effectiveness of the present numerical method for simulating the unsteady flow fields induced by bodies in relative motion.
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