Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.30
no.1
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pp.94-103
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1993
This study deals with an investigation on the tip vortex generated by an elliptic wing with section shapes of NACA 0020. The flow structure on the wing surface is investigated by using tufts test as well as observing the cavitation pattern. The surface pressure on a foil surface is measured to complement the visualized flow field. Results show that a strong spanwise pressure gradient is a definite contributor on the formation of tip vorex, and the fluids from both sides contribute to the evolutionary process of tip vortex. On the other hand, a series of experiments are conducted to investigate the detailed structure of tip-vortex at various angles of attack. The tip-vortex formation and development are observed by producing a cavitation, and then by a laser sheet technique in conduction with a dye injection method. The shape of tip-vortex and the distance between a vortex core and the trailing vortex sheet are found to vary with the angle of attack. Overall features of tip flow are evaluated to complement the vortex model based on inviscid theory.
The 3-dimensional flow field has been investigated by numerical analysis in a 2.5MW wind turbine blade. Complicated and separated flaw phenomena in the wind turbine blade were captured by the Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) steady flaw simulation using general-purpose code, CFX and the mechanism of vortex structure behavior is elucidated. The vortical flow field in a wind turbine rotor is dominated by the tip vortex and hub separation vortex. The tip vortex starts to be formed near the blade tip leading edge. As the tip vortex develops in the tangential direction, interacting with boundary layer from the blade tip trailing edge. The hub separation vortex is generated near the blade hub leading edge and develops nearly in the span-wise direction. Furthermore, 3-dimensional blade tip shape has been designed for increasing shrift power and reducing thrust force on the wind turbine blade. It is expected that the behavior of the tip vortex and hub separation vortex plays a major role in aerodynamic and aeroacoustic characteristics.
Three-dimensional vortical flow and separated flow topology near the casing wall in an axial flow fan having two different tip clearances have been investigated by a Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) flow simulation. The simulation shows that the tip leakage vortex formed close to the leading edge of the blade tip on suction side grows in the streamwise direction. On the casing wall, a separation line is formed upstream of the leakage vortex center due to the interference between the leakage vortex and main flow. The reverse flow is observed between the separation line and the attachment line generated downstream of the trailing edge, and increased with enlarging tip clearance. The patterns of a leakage velocity vector including a leakage flow rate are also analyzed according to two tip clearances. It is noted that the understanding of the distribution of a limiting streamline on the casing wall is very important to grasp the characteristics of the vortical flow in the axial flow fan.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.43
no.2
s.146
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pp.177-185
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2006
Cavitation is the dominant noise source of the marine vehicle. Of the various types of cavitation , tip vortex cavitation is the first appearance type of marine propeller cavitation and it generates high frequency noise. In this study, tip vortex cavitation behavior and noise are numerically investigated. A numerical scheme using Eulerian flow field computation and Lagrangian particle trace approach is applied to simulate the tip vortex cavitation on the hydrofoil. Vortex flow field is simulated by combined Moore and Saffman's vortex core radius equation and Sculley vortex model. Tip vortex cavitation behavior is analyzed by coupled Rayleigh-Plesset equation and trajectory equation. The cavitation nuclei are distributed and released in the vortex flow result. Vortex cavitation trajectories and radius variations are computed according to nuclei initial size. Noise is analyzed using time dependent cavitation bubble position and radius data. This study may lay the foundation for future work on vortex cavitation study and it will provide a basis for proper underwater propeller noise control strategies.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.4
no.3
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pp.307-316
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2011
In order to clarify the features of tip leakage vortex near blade tip region in a half-ducted axial fan with large bellmouth, the experimental investigation was carried out using a 2-dimensional LDV system. Three sizes of tip clearance (TC) were tested: those sizes were 1mm (0.55% of blade chord length at blade tip), 2mm (1.11% of blade chord length at blade tip) and 4mm (2.22% of blade chord length at blade tip), and those were shown as TC=1mm, TC=2mm and TC=4mm, respectively. Fan characteristic tests and the velocity field measurements were done for each TC. Pressure - flow-rate characteristics and two-dimensional velocity vector maps were shown. The vortex trace and the vortex intensity distribution were also illustrated. As a result, a large difference on the pressure - flow-rate characteristics did not exist for three tip clearance sizes. In case of TC=4mm, the tip leakage vortex was outflow to downstream of rotor was not confirmed at the small and reference flow-rate conditions. Only at the large flow-rate condition, its outflow to downstream of rotor existed. In case of TC=2mm, overall vortex behaviors were almost the same ones in case of TC=4mm. However, the vortex trace inclined toward more tangential direction. In case of TC=1mm, the clear vortex was not observed for all flow-rate conditions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.3
s.234
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pp.322-329
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2005
The flow characteristics in the blade passage and in the wake region of a low speed axial flow fan have been investigated by experimental analysis using a rotating hot-wire sensor for design and off-design operating conditions. The results show that the tip leakage vortex is moved upstream when flow rate is decreased, thus disturbing the formation of wake flow near the rotor tip. The tip leakage vortex interfaces with blade pressure surface, and results in high velocity fluctuation near the pressure surface. From axial velocity distributions downstream of the fan rotor, large axial velocity decay near the rotor tip is observed at near stall condition, which results in large blockage compared to that at the design condition. Although the wake flow downstream of the rotor blade is clearly measured at all operating conditions, the trough of the high velocity fluctuation due to Karmann vortex street in the wake flow is mainly observed at a higher flow condition than the design flow rate.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.8
s.227
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pp.902-909
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2004
A steady-state Reynolds averaged Navier-Stokes simulation was conducted to investigate the distribution of the Reynolds stress tensor inside tip leakage vortex of a linear compressor cascade. Two different inlet flow angles ${\beta}=29.3^{\circ}$(design condition) and $36.5^{\circ}$(off-design condition) at a constant tip clearance size of $1\%$ blade span were considered. Classical methods of solid mechanics, applied to view the Reynolds stress tensor in the principal direction system, clearly showed that the high anisotropic feature of turbulent flow field was dominant at the outer part of tip leakage vortex near the suction side of the blade and endwall flow separation region, whereas a nearly isotropic turbulence was found at the center of tip leakage vortex. There was no significant difference in the anisotropy of the Reynolds normal stresses inside tip leakage vortex between the design and off-design condition.
The accurate prediction of the flow and the pressure distribution near the tip of the blade is crucial in determining the tip vortex cavitation inception which usually occurs on the blade tip or inside the core of the tip vortex just downstream of the blade tip. An improved boundary element method is applied to the prediction of the flow around propeller blades, with emphasis at the tip region. In the method, the Blow adapted grid and a higher order panel method, which combines a hyperboloidal panel geometry with a hi-quadratic dipole distribution, are used in order to accurately model the trailing wake geometry and the highly rolled-up regions in the wake. The method is applied to several propeller geometries and the results have been found to agree well to the existing experimental data. Inviscid flow methods are able to predict the pressures at the tip as well as the shape of the trailing wake. On the other hand, they are unable to determine the flow inside the viscous core of the tip vortex, where cavitation inception often occurs. Thus, a method is presented that treats the flow inside the viscous core. The inner flow is treated with a 2-D Clavier-stokes solution without making any assumptions for axisymmetric flow and conicity of the flow along the tip trajectory. The method can thus allow the treatment of general propeller blade configurations. The velocity and pressure distributions inside the core are shown and compared to those from other numerical methods.
The unsteady nature of vortex structures has been investigated by a large eddy simulation (LES) in an axial flow fan with a shroud covering only the rear region of its rotor tip. The simulation shows that the tip vortex plays a major role in the structure and unsteady behavior of the vortical flow in the fan. The movements of the vortex structures induce high-pressure fluctuations on the rotor blade and in the blade passage. Frequency characteristics of the fluctuating pressure on the rotor blade are analyzed using wavelet transform. The dominant frequency of the real-time pressure selected at the high pressure fluctuation region corresponds well to that of the fluctuating rotor torque and the experimental result of fan noise. It is mainly generated due to the unsteady behavior of the vortical flow, such as the tip vortex and the leading edge separation vortex.
Reynolds averaged Wavier-Stokes simulations based on the Reynolds stress model was performed to investigated the effect of inlet flow angle on the distributions of the Reynolds stress tensor inside tip leakage vortex of a linear compressor cascade. Two different inlet flow angles ${\beta}=29.3^{\circ}$(design condition) and $36.5^{\circ}$(off-design condition) were considered. Stress tensor analysis, which transforms the Reynolds stress into the principal direction, was applied to show an anisotropy of the normal stresses. Whereas the anisotropy was highest in the region where the tip leakage vortex collides the suction side of the blade and tip leakage flow enters between blade tip of the pressure side and the endwall, it had the lowest value at the center of tip leakage vortex. It was also found that the magnitude of maximum shear stress at design condition was greater than that of off-design condition.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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