A numerical model for unsteady dispersion of horizontal line source in turbulent shear flow is developed. A fractional step finite difference method is used which splits the unsteady two-dimensional advective diffusion equation into the longitudinal advection and the vertical diffusion equations, and solves them alternately for half time intervals by the Holly-Preissmann scheme and the Crank-Nicholson scheme, respectively. The developed numerical model is verified using a semi-analytic solution for steady dispersion in turbulent shear flow. Dispersion of an instantaneous plane source in turbulent shear flow is analyzed using the model. The degree of mixing at the same dimensionless time is almost the same regardless of the friction factor, and the travel distance required to reach a certain degree of mixing is inversely proportional to the square root of the friction factor.
Unsteady 3D Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) solver is used to simulate the turbulent flow past an isolated prismatic cylinder at Re=37,400. The aspect ratio of height to base width of the body is 5. The turbulence closure is achieved through a non-linear $k-{\varepsilon}$ model. The applicability of this model to predict unsteady forces associated with this flow is examined. The study shows that the present URANS solver with standard wall functions predicts all the major unsteady phenomena showing closer agreement with experiment. This investigation concludes that URANS simulations with the non-linear $k-{\varepsilon}$ model as a turbulence closure provides a promising alternative to LES with view to study flows having complex features.
Unsteady numerical study has been conducted on combustion dynamics of a lean-premixed swirl-stabilized gas turbine swirl injector. A three-dimensional computation method utilizing the message passing interface (MPI) parallel architecture, large eddy simulation(LES), and proper orthogonal decomposition (POD) technique was applied. The unsteady turbulent flame dynamics are simulated so that the turbulent flame structure can be characterized in detail. It was observed that some fuel lumps escape from the primary combustion zone, and move downstream and consequently produce hot spots. Those flame dynamics coincides with experimental data. In addition, basis modes of the unsteady turbulent flame are characterized using proper orthogonal decomposition (POD) analysis. The flame structure based on odd basis modes is apparently larger than that of even ones. The flame structure can be extracted from the summation of the basis modes and eigenvectors at any moment.
This paper investigates LES of turbulent combustion flow based on 2-scalar flamelet approach, where a G-equation and a conserved scalar equation simulate a propagation of premixed flame and a diffusion combustion process, respectively. The turbulent SGS modeling on these flamelet combustion approach is also researched. These LES models are applied to an industrial flows in a full scale gasturbine combustor with premixed and non-premixed flames. The numerical results predict the characteristics of experiment temperature profiles. Unsteady features of complex flames in combustor are also visualized.
The logarithmic form for turbulent flow analysis guarantees the positivity of the turbulence variables as ${\kappa}$ and ${\varepsilon}$ of the ${\kappa}-{\varepsilon}$ model by using the natural logarithm of these variables. In the present study, the logarithmic form is incorporated into the finite element solution procedure for the unsteady turbulent flow analysis. A backward facing step flow using the standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ model and a flow around a 2D square cylinder using the modified ${\kappa}-{\varepsilon}$ model (the Kato-Launder model) are simulated. These results show that the logarithmic form effectively keeps adequate balance of turbulence variables and makes the analysis stable during transient or unsteady processes.
The characteristics of heat transfer in a two-dimensional channel obstructed by a square rod is investigated by a turbulence model. The computation is made for the six cases of different rod positions between channel walls. To analyze the wall heat transfer, the heat flux of channel walls is set as a constant value and the $k-{\epsilon}-f_{\mu}$ model is employed. Downstream the square rod, the flow recirculation region appear and they are varied by the rod position. The enhancement of the turbulent heat transfer to the wall is induced by the flow instability using a square rod. The averaged heat transfer rate is maximized at a specific rod position. Finally, the effects of square rod on unsteady flows are scrutinized with the frequency analysis.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.1
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pp.96-107
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2001
An unsteady numerical simulation was performed to analyze flow structures behind a local suction/blowing in a flat-plate turbulent boundary layer. The local forcing was given to the boundary layer flow by means of sinusoidally oscillating jet. A version of the unsteady $\kappa$-$\xi$-f(sub)u model (Rhee and Sung 2000) was employed. The Reynolds number based on the momentum thickness was about Re(sub)$\theta$=1700. The forcing frequency was varied in the range 0.011$\leq$f(sup)+$\leq$0.044 with a fixed forcing amplitude A(sub)o=0.4. The predicted results were compared and validated with the experimental data. It was shown that the unsteady locally-forced boundary layer flow is predicted well by the $\kappa$-$\xi$-f(sub)u model. The effect of the pitch angle of local forcing on the reduction of skin friction was also examined.
In this study, we investigate the wake characteristics in laminar inflow and two different turbulent inflow cases. To solve the flow with wind turbines and its wake, we use large eddy simulation (LES) technique with actuator line method (ALM) and turbulent inflow of Turbsim. We perform the quantitative analysis of velocity deficit and turbulent intensity in laminar inflow case and turbulent inflow case with different turbulent intensity. In turbulent inflow, unsteady strong wake recovery which is highly fluctuated in time. Normalized power in turbulent inflow case is also highly fluctuated with unsteady wake recovery, while that in laminar inflow has quasi steady characteristic in power generation.
Oscillating airfoil haw been challenged for the dynamic stalls of airfoil am wind turbines at high angle of attach. Especially, the pressure oscillation has a huge effect on noise generation, structure damage, aerodynamic performance am safety, because the flow has strong unsteadiness at high angle of attack. In this paper, the unsteady aerodynamics coefficients were analyzed for the oscillating airfoil at high angle of attack around two dimensional NACA0012 airfoil. The two dimensional unsteady compressible Navier-Stokes equation with a LES turbulent model was calculated by OHOC (Optimized High-Order Compact) scheme. The flow conditions are Mach number of 0.2 and Reynolds number of $1.2{\times}10^4$. The lift, drag, pressure distribution, etc. are analyzed according to the pitching oscillation. Unsteady velocity field, periodic vortex shedding, the unsteady pressure distribution, and the acoustic fields are analyzed. The effects of these unsteady characteristics in the aerodynamic coefficients are analyzed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.9
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pp.1218-1225
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2002
Large-scale vortical structure of a turbulent separation bubble affected by unsteady wake is essential to understand flow mechanisms in various fluid devices. A spoked-wheel type of wake generator provides unsteady wake, which modifies the turbulent separation bubble significantly by changing rotation directions and passing frequencies. A detailed mechanism of vortex shedding from the separation bubble with unsteady wake is analyzed by taking a conditional average with spatial box filtering, which spatially integrates measured signals at pre-determined wavelength. A convecting nature of the large-scale vortical structure is analyzed carefully. Spatial evolution of the large-scale vortical structure with frequency variance is also exemplified.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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