레이놀즈 수의 시간 증가율이 벽면난류 구조에 미치는 영향을 난류 채널유동에 대한 직접수치모사를 수행하여 조사하였다. 완전 발달된 $Re_{\tau}=180$의 난류 채널유동이 가속을 받게 되어 평균속도로 무차원화된 레이놀즈 수가 5600에서 13600까지 선형적으로 변화하게 된다. 다양한 가속 시간에 대한 계산을 수행하여 벽면난류에 대한 가속율의 효과를 파악하였다. 유량의 증가율이 큰 경우에는 우회 천이와 유사한 현상이 발견되었으며, 유량의 증가율이 낮은 경우에는 우회 천이 현상이 거의 나타나지 않았다. 본 연구 결과는 초기 레이놀즈 수와 최종 레이놀즈 수의 비 보다는 레이놀즈 수의 시간 증가율이 채널 내 과도유동에서의 우회 천이 현상 발생에 주요인자 임을 제시한다.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제2권4호
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pp.346-352
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2009
The objective of the present work is to improve numerical predictions of unsteady turbulent swirling flows in the draft tubes of hydraulic power plants. We present Large Eddy Simulation (LES) results on a simplified draft tube consisting of a straight conical diffuser. The basis of LES is to solve the large scales of motion, which contain most of the energy, while the small scales are modeled. LES strategy is here preferred to the average equations strategies (RANS models) because it resolves directly the most energetic part of the turbulent flow. LES is now recognized as a powerful tool to simulate real applications in several engineering fields which are more and more frequently found. However, the cost of large-eddy simulations of wall bounded flows is still expensive. Bypass methods are investigated to perform high-Reynolds-number LES at a reasonable cost. In this study, computations at a Reynolds number about 2 $10^5$ are presented. This study presents the result of a new near-wall model for turbulent boundary layer taking into account the streamwise pressure gradient (adverse or favorable). Validations are made based on simple channel flow, without any pressure gradient and on the data base ERCOFTAC. The experiments carried out by Clausen et al. [1] reproduce the essential features of the complex flow and are used to develop and test closure models for such flows.
We performed the simulation of the unsteady three dimensional flow over a square cylinder in a wind tunnel in moderate Reynolds number range, $100{\sim}2500$ by using LBM. SGS model was applied for the turbulent flow. Frist of all we compared LBM(Lattice Boltzmann Method) solution of Poiseuille flow applied Farout and bounce back boundary conditions with the analytical and FOAM solutions to verify the applicability of the boundary conditions. For LBM simulation the calculation domain was formed by structured grids and prescribed uniform velocity and density inlet and Farout boundary conditions were imposed on the in-out boundaries. Bounceback and wind tunnel boundary conditions were applied to the cylinder walls and the boundaries of calculation domain respectively. The maximum Strouhal number of the vortex shedding is 0.2025 at Re = 750. and the number maintains the constant value of 0.18 when Re>1000. We also predicted that the critical reynolds number of the turbulent flow is in the range of $250{\sim}500$.
An experimental study has been performed on the single phase flow and convective heat transfer in trapezoidal microchannels. The microchannel was about $270{\mu}m$ wide, $800{\mu}m$ deep. and 7 mm long, which might ensure hydrodynamically fully-developed laminar flow at a low Reynolds number. The experiments were conducted with R1l3 and water, with the Reynolds number ranging from approximately 30 to 5000 for friction factor and 30 to 700 for the Nusselt number. Friction factors in laminar are found to be in good agreement with the predictions of existing correlation suggesting that a conventional analysis approach can be employed in predicting flow friction behavior in microchannels. However turbulent friction factors are hardly predictable by the existing correlations. The experimental results show that the Nusselt number is not a constant but increases almost linearly with the Reynolds number even the flow is fully developed (Re < 100). The dependence of the Nusslet number on the Reynolds number is contradictory to the conventional theory. At a Reynolds number greater than 100, the Nusselt number increases slowly with the Reynolds number, where thennally developing flow is responsible for the increase of the Nusselt number with the Reynolds number.
Detached Eddy Simulation (DES) is performed for developing turbulent flow of the $270^{\circ}$ curved duct at a Reynolds number of 56,690. The curvature ratio on the basis of a centric radius $R_c$ and a duct height H is 3.357. Turbulence models adopted are k-$\omega$ model for Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) equation Simulation and Shear Stress Transport (SST) model for DES. DES is used as the hybrid computation technique combined with RANS-SST and Large Eddy Simulation (LES). Predicted results are compared with measured results including the distributions of Reynolds stresses and the flow characteristics on the symmetric plane of curved duct are presented. Judging from the comparison between the predicted and the measured results, the DES approach is applicable to calculate the developing turbulent flow in a $270^{\circ}$ curved duct.
This paper investigated the characteristics of the turbulent incompressible flow past the orifice ring in an axi-symmetric pipe. The flow field was the turbulent pulsatile flow for Reynolds number of $2{\times}10^{5}$ which was defined based on the maximum velocity and the pipe diameter at the inlet, with oscillating frequence $(f_{os})=1/4{\pi}$ which was considered as quasi-steady state frequence. In the present investigation, finite analytic method was used to solve the governing equations in Navier Stokes and turbulent transport formulations. Particularly at high Reynolds number and low oscillation frequency, the effects of orifice ring on the flow were numerically investigated. The separation zone behind the orifice ring during the acceleration phase was found to be decreased. However, during the deceleration phase, the separation behind the orifice ring for pulsatile flow continuously grow to a size even larger than that in steady flow. The pressure drop in steady flow was found to be constant and always positive while for pulsatile flow the pressure drop change with time. And large turbulent kinetic energy, dissipation rate were found to be located in the region where the flow passes through the orifics ring. The maximum turbulent kinetic energy, generally occurs along the shear layer where the velocity gradient is large.
Gas foil bearings (GFBs) enable small- to medium-sized turbomachinery to operate at ultra-high speeds in a compact design by using ambient air or process gas as a lubricant. When using air or process gas, which have lower viscosity than lubricant oil, the turbomachinery has the advantage of reduced power loss from bearing friction drag. However, GFBs may have high Reynolds number, which causes turbulent flows due to process gas with low viscosity and high density. This paper analyzes gas foil journal bearings (GFJBs) with high Reynolds numbers and studies the effects of turbulent flows on the static and dynamic performance of bearings. For comparison purposes, air and R-134a gas lubricants are applied to the GFJBs. For the air lubricant, turbulence is dominant only at rotor speeds higher than 200 krpm. At those speeds, the journal eccentricity decreases, but the film thickness, power loss, and direct stiffness and damping coefficients increase. On the other hand, the R-134a gas lubricant, which that has much higher density than air, causes dominant turbulence at rotor speeds greater than 10 krpm. The turbulent flow model predicts decreased journal eccentricity but increased film thickness and power loss when compared with the lamina flow model predictions. The vertical direct stiffness and damping coefficients are lower at speeds below 100 krpm, but higher beyond that speeds for the turbulent model. The present results indicate that turbulent flow effects should be considered for accurate performance predictions of GFJBs with high Reynolds number.
Direct numerical simulations are peformed to investigate the physics of a spatially developing turbulent boundary layer flow suddenly subjected to spanwise oscillating electro-magnetic forces in the near-wall region. The Reynolds number based on the inlet momentum thickness and free-stream velocity is $Re_\theta=300$. A fully-implicit fractional step method is employed to simulate the flow. The mean flow properties and the Reynolds stresses are obtained to analyze the near-wall turbulent structure. It is found that skin-friction and turbulent kinetic energy can be reduced by the electro-magnetic forces. Instantaneous flow visualization techniques are used to observe the response of streamwise vortices to spanwise oscillating forces. The near-wall vortical structures are clearly affected by spanwise oscillating electro-magnetic forces.
This paper reports the characteristics of the three dimensional turbulent flow in the 180 degree bends with decreasing cross-sectional area by numerical method. Calculated pressure and velocity, Reynolds stress distributions are compared to the experimental data. Turbulence model employed are low Reynolds number k-epsilon model and algebraic stress model. The results show that the main vortex generated from the inlet part of the bend maintained to outlet of the bend because of the contraction of cross-sectional area. The rate of increase of turbulent kinetic energy through the bend are lower than that of mean flow. Secondary flow strength of the flow is lower about 60% than that of square duct flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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