Tornadic wind flow is inherently turbulent. A turbulent wind flow is characterized by fluctuation of the velocity in the flow field with time, and it is a dynamic process that consists of eddy formation, eddy transportation, and eddy dissipation due to viscosity. Properly modeling turbulence significantly increases the accuracy of numerical simulations. The lack of a clear and detailed comparison between turbulence models used in tornadic wind flows and their effects on tornado induced pressure demonstrates a significant research gap. To bridge this research gap, in this study, two representative turbulence modeling approaches are applied in simulating real-world tornadoes to investigate how the selection of turbulence models affects the simulated tornadic wind flow and the induced pressure on structural surface. To be specific, LES with Smagorinsky-Lilly Subgrid and k-ω are chosen to simulate the 3D full-scale tornado and the tornado-structure interaction with a building present in the computational domain. To investigate the influence of turbulence modeling, comparisons are made of velocity field and pressure field of the simulated wind field and of the pressure distribution on building surface between the cases with different turbulence modeling.
The effect of vortex impingement on the fluid dynamics around a cylinder submerged in the wake of another of different diameters is numerically investigated at a Reynolds number Re = 200. While the diameter (D) of the downstream cylinder is fixed, impinging vortices are produced from the upstream cylinder diameter (d) varied as d/D = 0.24, 0.4, 0.6, 0.8 and 1.0, with a spacing ratio L=5.5d, where L is the distance between the center of the upstream cylinder to the front stagnation point of the downstream cylinder. Two-dimensional simulations are carried out using the finite volume method. Fluid forces acting on the two cylinders are correlated with impinging vortices, vortex shedding, and wake structure. Different facets of wake formation, wake structure, and flow separation and their connections to fluid forces are discussed.
Anisotropic distribution of the turbulent kinetic energy and the near-field excitations are the main causes of the steady state Flow-Induced Vibration (FIV) which could lead to fretting wear damage in vertically arranged supported slender rods. In this article, a combined Computational Fluid Dynamics (CFD) and Computational Structural Mechanic (CSM) approach named two-way Fluid-Structure Interaction (FSI) is used to investigate the modal characteristics of a typical rod's vibration. Performance of an Unsteady Reynolds-Average Navier-Stokes (URANS) and Large Eddy Simulation (LES) turbulence models on asymmetric fluctuations of the flow field are investigated. Using the LES turbulence model, any large deformation damps into a weak oscillation which remains in the system. However, it is challenging to use LES in two-way FSI problems from fluid domain discretization point of view which is investigated in this article as the innovation. It is concluded that the near-wall meshes whiten the viscous sub-layer is of great importance to estimate the Root Mean Square (RMS) of FIV amplitude correctly as a significant fretting wear parameter otherwise it merely computes the frequency of FIV.
The present study has numerically investigated the effects of the fuel-side nitrogen dilution on the precise structure and NOx formation characteristics of the turbulent syngas nonpremixed flames. Numerical results indicate that for highly diluted case, the flame structure is dominantly influenced by the turbulence-chemistry interaction and marginally modified by the radiation effect. On the other hand, no-dilution case with the longer flight time and the relatively intermediate scalar dissipation rate is influenced strongly by the radiative cooling as well as moderately by the turbulence-chemistry interaction.
Kangfei Shi;Yu Cao;Zhanying Zheng;Shun Lu;Menglong Liu
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3812-3825
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2024
The axial-flow-induced vibration of fuel rods in the nuclear power plant is closely related to nuclear safety. In this article, a numerical study is performed on vibration of two elastic cylinders arranged side-by-side in axial flow. Large eddy simulation is employed to predict the turbulent flow. The numerical method has been verified using the experimental root-mean-square vibration amplitude of a single cylinder. A wide range of inflow velocities u*, incident turbulence intensity Tu and space ratio P/D have been examined, where D and P are the diameter and centre-to-centre distance of the cylinders, respectively. The results show that the vibration amplitudes increase with an increasing u*, comparable to the case of a single cylinder in axial flow. However, the two cylinders could bend outwards during a relatively high u* and low Tu. Although Tu significantly affects the amplitudes of the cylinders, it does not change the vibration frequency and the critical velocity at which buckling instability occurs. As the gap between the two cylinders is sufficiently small, the vibration amplitude enhances significantly due to the pronounced hydrodynamic interaction between the two elastic cylinders and surrounding fluid. The direction of buckling is no longer random but fixed.
This experimental study investigated the flow characteristics for regular waves passing a rectangular floating structure in a two-dimensional wave tank. The particle image velocimetry (PIV) was employed to obtain the velocity field in the vicinity of the structure. The phase average was used to extract the mean flow and turbulence property from repeated instantaneous PIV velocity profiles. The mean velocity field represented the vortex generation and evolution on both sides of the structure. The turbulence properties, including the turbulence length scale and the turbulent kinetic energy budget were investigated to characterize the flow interaction between the regular wave and the structure. The results shaw the vortex generated near the structure corners, which are known as the eddy-making damping or viscous damping. However, the vortex induced by the wave is longer than the roll natural period of the structure, which presents the phenomena opposing the roll damping effect; that is, the vortex may increase the roll motion under the wave condition longer than the roll natural period.
A characterization of turbulent reacting flows has proved difficult owing to the complex interaction between turbulence, mixing, and combustion chemistry. There are many types of time scales in turbulent flame which can determine flame structure. This counter jet type premixed burner produces high intensity turbulence. The goal is to gain better insights into the flame structures at high turbulence. 6 propane/air flames gave been studied with high velocity fluctuation in bundle type nozzle and in one hole type nozzle. By measuring velocity fluctuation, turbulent intensity and integral length scale are obtained. And sets of OH LIF images were processed to see flame structure of the mean flame curvatures and flame lengths for comparison with turbulence intensity and turbulent length scales. The results show that the decrease in nozzle size generates smaller flow eddy and mean curvatures of the flame fronts, and a decrease in Damkohler number estimated from flow time scale measurement.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.35-49
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2021
This paper presents a direct numerical simulation of turbulent flows over a bump in an open channel to examine the turbulence characteristics near divergent waves emanating from the bump and to investigate the interaction of the turbulences with the divergent waves. To verify the reliability of the simulations, the mean velocity profile and root-mean-square of velocity fluctuations are compared with previous data. The anisotropic invariant maps show that the ratio of the streamwise to spanwise velocity fluctuations plays an important role in characterizing the anisotropic nature of the separated shear layer behind the bump in the vicinity of the free surface. The vortex identification discloses a large-scale streamwise vortical structure from the mean velocity field and a cluster of small coherent structures from the instantaneous velocity field, which are responsible for the anisotropic characteristics of the turbulence beneath the free surface.
Recent studies of the structure of wall turbulence have lead to the development of a conceptual model that validates and integrates many elements of previous models into a relatively simple picture based on self-assembling packets of hairpin vortex eddies. By continual spawning new hairpins the packets grow longer in the streamwise direction, and by mutual induction between adjacent hairpins the hairpins are strained so that they grow taller and wider as they age. The result is a characteristic growth angle in the streamwise-wall normal plane. The spanwise growth of individual packets implies that packets must either merge or pass through each other when they come into contact. Direct numerical simulations of the growth and interaction of spanwise adjacent hairpins shows that they merge by the vortex connection mechanism originally proposed by Wark and Nagib (199). In this mechanism the quasi-streamwise legs of two hairpins annihilate each other, by virtue of having opposite vorticity, leaving a new hairpin of approximately double the width of the individuals. PIV measurements in planes parallel to the wall support this picture. DNS of multiple hairpins shows how the spanwise scale doubles when the hairpins form an array.
As the first step to investigate the nonlinear interactions between turbulence and marine structures inside a viscous NWT, a LES technique was applied to solve the turbulent channel flow for =150. The employed turbulence models included 4 types: the Smagorinsky model, the Dynamic SGS model, the Structure Function model, and the Generalized Normal Stress model. The simulated data in time-series for the LESs were averaged in both time and space, and statistical analyses were performed. The results of the LESs were compared with those of a DNS, developed in the present study and two spectral methods by Yoon et al.(2003) and Kim et a1.(1987). Based on this research, the accuracy of LESs has been found to be still related to the number of grids for fine grid size).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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