Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.56
no.4
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pp.361-372
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2019
The flow pattern of air layers and skin-friction drag reduction by air injection are investigated to find the suitable multiphase flow model using unstructured finite-volume CFD solver for the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. In the present computations, two different multiphase flow modeling approaches, such as the Volume of Fluid (VOF) and the Eulerian Multi-Phase (EMP), are adopted to investigate their performances in resolving the two-phase flow pattern and in estimating the frictional drag reduction. First of all, the formation pattern of air layers generated by air injection through a circular opening on the bottom of a flat plate are investigated. These results are then compared with those of MMkiharju's experimental results. Subsequently, the quantitative ratios of skin-friction drag reduction including the behavior of air layers, within turbulent boundary layers in large scale and at high Reynolds number conditions, are investigated under the same conditions as the model test that has been conducted in the US Navy's William B. Morgan Large Cavitation Channel (LCC). From these results, it is found that both VOF and EMP models have similar capability and accuracy in capturing the topology of ventilated air cavities so called'air pockets and branches'. However, EMP model is more favorable in predicting quantitatively the percentage of frictional drag reduction by air injection.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.8
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pp.2637-2649
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1996
Flow characteristics and aerodynamic forces acting on an elliptic cylinder placed in a plane boundary layer were investigated experimentally. Four cylinder models with axis ratio(major axis to minor axis, AR=A/B) of 1, 2, 3, and 4 having the same equivalent diameter were used in this experiment. The Reynolds number based on the equivalent diameter $D_e$(=20mm) was 13,000. In the case of circular cylinder, regular vortex shedding occurs for the cylinder gaps larger than G/B=0.3 and is not almost related to the boundary layer thickness. But, for the elliptic cylinders, the vortex shedding frequency is increased with increasing the gap ratio (G/B) and the axis ratio (AR) of elliptic cylinders. The maximum drag coefficient acting on a circular cylinder is mainly affected by the boundary layer thickness. But, the elliptic cylinders(AR$\geq$2), except for the smaller gap G/B<0.2, show a nearly constant drag coefficient which is much smaller than that of a circular cylinder. The base pressure on the flat plate decreases with increasing the axis ratio(AR) of the elliptic cylinder. In the case of a circular cylinder, the base pressure has the minimum value at the gap ratio G/B=0.4, but it occurs at G/D=2 for elliptic cylinders. The mean velocity of the cylinder wake is quickly recovered at a small cylinder height ratio(H/$\delta$), but the turbulent intensity is rapidly recovered at a large cylinder height ratio(H/$\delta$). The effective wake region in the plane boundary layer is shrinkaged with increasing the axis ratio(AR) of elliptic cylinder. And the drag coefficient and streamwise turbulent intensity of the elliptic cylinder with AR=4 are less than half of those for the circular cylinder(AR=1).
The flow structures of turbulent shear layer behind oil fences with different tip configurations were investigated experimentally using flow visualization and PIV velocity field measurement. An oil fence was installed in a circulating water channel and the flow structure around the fence tip was mainly analyzed in this experiment. The four tip configurations tested in this experiment are knife edge; semi-circle edge, circular edge and rectangular edge. The 300 instantaneous velocity fields were measured using the single-frame PIV system and they were ensemble averaged to give the mean velocity field and spatial distribution of turbulent statistics. Free stream velocity was fixed at 10ms/sec and the corresponding Reynolds number based on the fence height was Re=4000. As a result, for the oil fence with rectangular edge, the streamwise velocity component was decreased. On the other hand it was increased for the oil fence with circular edge. For all four fences tested in this study, general flow pattern of the lower shear layer is analogous but the upper layer shows difference depending on the tip configurations. The oil fence with circular edge has more diffusive upper shear layer than that of the others. The shear layer of the oil fence with rectangular edge has relatively thin thickness. The oil fence with circular edge was found to be proper shape for tandem fence.
Turbulent in-situ mixing process is a new material process technology to get dispersed phase in nanometer size by controlling reaction of liquid/solid, liquid/gas, flow ana solidification speed simultaneously. In this study, mixing which is the key technology to this synthesis method was studied by computational fluid dynamics. For the simulation of mixing of liquid metal, static mixers investigated. Two inlets for different liquid metal meet ana merge like 'Y' shape tube having various shapes and radios of curve. The performance of mixer was evaluated with quantitative analysis with coefficient of variance of mass fraction. Also, detailed plots of intersection were presented to understand effect of mixer shape on mixing. The simulations show that the Reynolds number (Re) is the important factor to mixing and dispersion of $TiB_2$ particles. Mixer was designed according to the simulation, and $Cu-TiB_2$ nano composites were evaluated. $TiB_2$ nano particles were uniformly dispersed when Re was 1000, and cluster formation and reduction in volume fraction of $TiB_2$ were found at higher Re.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.50
no.6
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pp.399-406
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2013
In the present study, the flat plate model test method is developed to evaluate the skin friction of the marine coating in the cavitation tunnel. Six-component force balance is used to measure the profile drag of the flat plate and strut. LDV(laser Doppler velocimetry) technique is also employed to evaluate the drag and to figure out the reason of the drag reduction. The flow velocities above the surface can be used to assess the skin friction, combined with direct force measurement. Since the vortical structure in the coherent turbulence structure influences on the skin friction in the high Reynolds number regime, the interaction between the turbulence structure and the surface wall is paying more attention. This sort of thing is important in the passive control of the turbulent boundary layer because the skin friction can't be determined only by wall condition. As complicated flow phenomena exist around a paint film, systematic measurement and analysis are necessary to evaluate the skin friction appropriately.
The fluid flow over structures has been widely investigated by many researchers because its extensive application in offshore structures, skyscrapers, chimneys and cooling towers, brides. In the viewpoint of reducing the drag for offshore structure, it becomes challenging problem in the field of hydrodynamic of offshore structure. The purpose of this study is to investigate a flow over a square cylinder with an attached splitter plate using RANS method. First, RANS turbulent models such as a standard $k-{\omega}$ model, SST $k-{\omega}$ model, RNG $k-{\varepsilon}$ model, realizable $k-{\varepsilon}$ model, standard $k-{\varepsilon}$ model were used for choosing suitable turbulent model which has the best agreement with available experimental result. Drag of single cylinder estimated by using standard $k-{\omega}$ has a good agreement with published experimental result. Therefore, the stand $k-{\omega}$ was selected for simulation for flow over a square cylinder with an attached plate. Second, the numerical results of drag of square cylinder with an attached splitter plate in various length of an attached plate were performed using RANS method in ANSYS Fluent. In this paper, the numerical simulations were conducted at a Reynolds number of 485 and the thickness of the splitter plate is chosen as a constant value about 10% of cylinder width. The numerical results of drag coefficient of square cylinder are compared with experimental result published by other researchers. Finally, the effect of the splitter plate attached to the rear side of the square cylinder has been investigated numerically with a focus on the drag coefficient and flow characteristic. As a result, the drag coefficient decreases with an increase in splitter plate length.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.10
no.1
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pp.86-95
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1986
A study on film water flow on steep open channel has been seldom found up to date. Therefore, this paper dealed with the depth variation of film thickness of water (city supply normal water) flowing on steep open channel. For this purpose, Experimental apparatus (made of a normal glass with 160cm of length and 15cm of width) was made and the depths of the water flowing on the channel were measured experimentally, changing the channel slope angle from 30 to 80 degree (5 steps) and the flow rate from 0.25 to 10CPM (11 steps). The results obtained, some characteristics of the film flow on the channel are as follows. (1) When thin film water flowed on steep open channel, the depths of flow tended to increase after decreasing and was kept nearly constant in its downstream in case of laminar and transitional flow region. The turining point of the depths of flow from decrease to increase tended to move downward with the increase of Reynolds number. In turbulent flow region, the depths of flow showed reapid decrease in its upper stream, gradual decrease in its midstream and were kept nearly constant in its downstream. (2) While the differences between the depths of flow along the channel slope got small in its upper stream and got large in its downstream in case of laminar flow region, they got very large in its upper stream and were kept nearly constant in its downstream in case of transitional and turbulent flow region. And the move flow rate increases, the more the differences between the depths of flow along the channel slope got large in its upper stream.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.6
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pp.1603-1612
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1990
An experimental study is conducted to investigate the fluid flow and heat transfer around tubes arranged in line. All measurements are performed at Reynolds number 1.58*10$^{4}$ with varing tube spacings from the small pitch ratio(L/D=1.25) to the large pitch ratio(L/D=3.0). Mean static pressures and mean temperatures of the surface of tubes and mean velocities and turbulent intensities in tube banks are measured. The flow patterns and the characteristics of heat transfer are strongly influenced by the tube spacings. Especially, in the case of very small spacings(L/D=1.25), the flow between neighboring tubes becomes very stagnant and the heat transfer decreases. In the case of each tube spacing, the characteristics of heat transfer around the 3rd, the 4th and the 5th tubes are nearly similar to one another, because the flow around tubes becomes stable at the 3rd tubes. The local heat transfer has the peak value near the reattachment point which has the peak value of pressure, but the local heat transfer for the 2nd tube of L/D=1.25 without reattaching has the peak value at .theta.=75.deg.. For each pitch ratio, the mean heat transfer increases gradually toward the downstream tubes, because the oncoming flow through neighboring tubes comes closer to the forward and rear surfaces of the tube and the turbulent intensity becomes larger in the downstream direction.
The turbulent flow with wake, reattachment and recirculation is a very important problem that is related to vehicle dynamics and aerodynamics. The Smagorinsky Model (SM), the Dynamics Subgrid Scale Model (DSM), and the Lagrangian Dynamic Subgrid Scale Model (LDSM) are used to predict the three-dimensional flow field around a bluff body model. The Reynolds number used is 45,000 based on the bulk velocity and the height of the bluff body. The fully developed turbulent flow, which is generated by the driver part, is used for the inlet boundary condition. The Convective boundary condition is imposed on the outlet boundary condition, and the Spalding wall function is used for the wall boundary condition. We compare the results of each model with the results of the PIV measurement. First of all, the LES predicts flow behavior better than the k-$\xi$ turbulence model. When ew compare various LES models, the DSM and the LDSM agree with the PIV experimental data better than the SM in the complex flow, with the separation and the reattachment at the upper front part of th bluff body. But in the rear part of the bluff body, the SM agrees with the PIV experimental results better than them. In this case, the SM predicts overall flow behavior better than the DSM nd the LDSM.
Aerodynamic effects, such as drag force and flow-induced vibration (FIV), on civil engineering structures can be minimized by optimally modifying the structure shape. This work investigates the turbulent wake of a square prism with its faces modified into a sinusoidal wave along the spanwise direction using three-dimensional large eddy simulation (LES) and particle image velocimetry (PIV) techniques at Reynolds number $Re_{Dm}$ = 16,500-22,000, based on the nominal width ($D_m$) of the prism and free-stream velocity ($U_{\infty}$). Two arrangements are considered: (i) the top and bottom faces of the prism are shaped into the sinusoidal waves (termed as WSP-A), and (ii) the front and rear faces are modified into the sinusoidal waves (WSP-B). The sinusoidal waves have a wavelength of $6D_m$ and an amplitude of $0.15D_m$. It has been found that the wavy faces lead to more three-dimensional free shear layers in the near wake than the flat faces (smooth square prism). As a result, the roll-up of shear layers is postponed. Furthermore, the near-wake vortical structures exhibit dominant periodic variations along the spanwise direction; the minimum (i.e., saddle) and maximum (i.e., node) cross-sections of the modified prisms have narrow and wide wakes, respectively. The wake recirculation bubble of the modified prism is wider and longer, compared with its smooth counterpart, thus resulting in a significant drag reduction and fluctuating lift suppression (up to 8.7% and 78.2%, respectively, for the case of WSP-A). Multiple dominant frequencies of vortex shedding, which are distinct from that of the smooth prism, are detected in the near wake of the wavy prisms. The present study may shed light on the understanding of the underlying physical mechanisms of FIV control, in terms of passive modification of the bluff-body shape.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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