An experimental investigation of the flow over the rectangular body located in close proximity to a ground board was reported using the particle image velocimetry (PIV) technique. The present experiments were conducted in a closed-loop open surface water channel with the Reynolds number, $Re_H=1.2{\times}10^4$ based on the model height. In addition to the PIV measurements, flow visualization studies were also carried out. The PIV technique provided instantaneous and time-averaged velocity vectors map, vorticity contours, streamline topology and turbulent quantities at various locations in the near wake. In the vertical symmetry plane, the upperbody flow is separated from the sharp top leading edge of the model and formed a large reverse flow region on the upper surface of the model. The flow structure downstream of the model has asymmetric double vortices. In the horizontal symmetry plane, identical separated flow regions occur on both vertical side walls and a pair of primary recirculatory bubbles dominates the wake region.
KRISO 3600TEU 콘테이너 이중모형선 주위 유동의 평균속도와 난류성분들을 풍동실험을 통해 실험적으로 연구하였다. 선미와 후류의 여러 단면에서의 속도분포를 x형의 열선 프로우브로 측정하여 평균속도와 레이놀즈 응력, 그리고 난류 운동에너지 등을 구하였다. 선미영역과 후류영역에서의 유동은 매우 복잡한 3차원 유동특성을 보여주고 있다. 측정 결과로부터 주유동 방향의 와 구조의 형성과 이러한 와 유동이 후류의 유동에 미치는 영향을 알 수 있었으며, 하류로 나아감에 따라 전단층 영역이 점차 확장되어짐을 확인하였다. 이와 같은 선체주위 유동의 난류 성분들의 측정은 향후 수치계산 및 정확한 난류모델의 개발에 비교자료로 사용되어질 것이다.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제10권2호
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pp.95-105
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2009
The flow fields around the HARTII rotor were numerically investigated using a viscous flow solver on adaptive unstructured meshes. An overset mesh and a deforming mesh technique were used to handle the blade motion including blade deflection, which was obtain from the HARTII experimental data. A solution-adaptive mesh refinement technique was also used to capture the rotor wake effectively. Comparison of the sectional normal force and pitching moment at 87% radial station between the two cases, with and without the blade deflection, showed that the blade loading is significantly affected by blade torsion. It was found that as the mesh was refined, the strength of tip vortex is better preserved, and the magnitude of high frequency blade loading, caused by blade-vortex interaction (BVI), is further magnified. It was also found that a proper time step size, which corresponds to the cell size, should be used to predict unsteady solutions accurately. In general, the numerical results in terms of the unsteady blade loading and the rotor wake show good agreement with the experimental data.
An experimental investigation is conducted to find out the large scale coherent structures in the intermediate wake past a rotating cylinder with a single tripping wire attached. Relation between the vortex shedding frequency and the spin rate of rotating cylinder and the effects of the tripping wire on the flow characteristics were studied by using spectral analysis and conditional phase average technique, respectively. It is found that the vortex shedding frequency is bound to a certain range and varies regularly as spin rate increases. The coherent structures are compared with those of the plain rotating cylinder in the case of spin rate of 1.0. Distance between the upper and lower center of vortices increase and the vortex shedding time is delayed, the velocity fluctuation energy decreases near the center line of vortices and it spreads out to the outer region. The Reynolds shear stress increases highly in the upper region and the turbulent wake width expands with strong entrainment process.
Phase averaged velocity fields in the near wake region behind a square cylinder have been (successfully) obtained using randomly sampled PIV data sets. The Reynolds number based on the flow velocity and the vertex height was 3,900. To identify the phase information, we examined the magnitude of circulation and the center of peak vorticity. The center of vorticity was estimated from lowpass filtered vorticity contours (LES decomposition) adopting a sub-pixel searching algirithm. Due to the sinusoidal nature of firculation which is closely related to the instantaneous vorticity, the location of peak voticity fits well with a sine curve of the circulation magnitude. Conditionally-averaged velocity fields represent the barman vortex shedding phenomenon very well within 5 degrees phase uncertainty. The oscillating nature of the separated shear layer and the separation bubble at the top surface are clearly observed. With the hot-wire measurements of Strouhal frequency, we found thats the convection velocity changes its magnitude very rapidly from 25 to 75 percent of the free stream velocity along the streamwise direction when the flow passes by the recirculation region.
Vortical structures in the near-wake region of a cubic obstacle are studied using numerical simulation. We consider flow between two parallel plates with a cube mounted on one of the plates. In the turbulent near-wake region of the flow, coherent structures such as hairpin vortices are found. Quasi-periodic behavior of the hairpin vortices is noticed; its dimensionless frequency at Re=1,000 is about 0.82 which is consistent with the result of Elavarasan of et al.'s experiment [Fluid Dyn. Research, 2000, 27] although their geometry is somewhat different from on. In the case of Re=3,500, the dimensionless frequency of the hairpin vortex is about 1.60. It is observed that the translating speed of the head of the hairpin vortex is lower than the streamwise mean velocity at that location. In the vicinity of the lower plate downstream of the cube, various length scales are identified thus less coherent. However, it is noticed that the vortical structures become gradually elongated downstream of the new reattachment.
Flow characteristics of the inflow ahead of a rotating propeller attached to a container ship model were investigated using a two-frame PIV (Particle Image Velocimetry) technique. Ensemble-averaged mean velocity fields were measured at four different blade phases. The mean velocity fields show the acceleration of inflow due to the rotating propeller and the velocity deficit in the near-wake region. The axial velocity distribution of inflow in the upper plane of propeller is quite different from that in the lower plane due to the thick hull boundary layer. The propeller inflow also shows asymmetric axial velocity distribution in the port and starboard side. As the inflow moves toward the propeller, the effect of phase angle variation of propeller blade on the inflow becomes dominant. In the upper plane above the propeller axis the inflow has very low axial velocity and large turbulent kinetic energy, compared with the lower plane. The boundary layer developed along the bottom surface of stern hull forms a strong shear layer affecting vortex structure of the propeller near-wake.
This study presents a mode analysis of 3D turbulent velocity data around a square-section building model to identify the dynamic system for Kármán-type vortex shedding. Proper orthogonal decomposition (POD) was first performed to extract the significant 3D modes. Magnitude-squared coherence was then applied to detect the phase consistency between the modes, which were roughly divided into three groups. Group 1 (modes 1-4) depicted the main vortex shedding on the wake of the building, with mode 2 being controlled by the inflow fluctuation. Group 2 exhibited complex wake vortexes and single-sided vortex phenomena, while Group 3 exhibited more complicated phenomena, including flow separation. Subsequently, a third-order polynomial regression model was used to fit the dynamics system of modes 1, 3, and 4, which revealed average trend of the state trajectory. The two limit cycles of the regression model depicted the two rotation directions of Kármán-type vortex. Furthermore, two characteristic periods were identified from the trajectory generated by the regression model, which indicates fast and slow motions of the wake vortex. This study provides valuable insights into 3D mode morphology and dynamics of Kármán-type vortex shedding that helps to improve design and efficiency of structures in turbulent flow.
대칭익형 단면을 가지는 모형 깃 끝와류의 후류유동구조의 전개과정을 관찰하기 위하여 2차원 LDV 시스템을 이용하여 끝와류의 회전성분과 축성분을 상평균 기법으로 측정하였다. 비대칭익 로터 깃의 특징에 비하여 대칭익 로터깃의 끝와류는 $27^{\circ}$ 부근까지 성장 과정이 진행되어 다소 늦게 형성되었으며 그 이후부터 상대적으로 완만하게 확산모드가 진행되었다. 회전성분은 실험이 진행된 $360^{\circ}$ 까지 Vatistas의 n=2모델에 우수한 접근성을 보이면서 자기상사성을 갖는 것으로 관찰되었고 축방향성분은 비대칭익에 비하여 훨씬 강한 세기로 나타나면서 정규분포 성향을 나타내었다. 이들의 결과들은 대칭익의 경우 로터의 추력 발생면에서 끝단손실이 상대적으로 큰 것으로 확인이 되었다.
The interaction between two different shaped structures is very important to be understood. Fluid-structure interactions and aerodynamics of a circular cylinder in the wake of a V-shaped cylinder are examined experimentally, including forces, shedding frequencies, lock-in process, etc., with the V-shaped cylinder width d varying from d/D = 0.6 to 2, where D is the circular cylinder diameter. While the streamwise separation between the circular cylinder and V-shaped cylinder was 10D fixed, the transverse distance T between them was varied from T/D = 0 to 1.5. While fluid force and shedding frequency of the circular cylinder were measured using a load cell installed in the circular cylinder, measurement of shedding frequency of the V-shaped cylinder was done by a hotwire. The major findings are: (i) a larger d begets a larger velocity deficit in the wake; (ii) with increase in d/D, the lock-in between the shedding from the two cylinders is centered at d/D = 1.1, occurring at $d/D{\approx}0.95-1.35$ depending on T/D; (iii) at a given T/D, when d/D is increased, the fluctuating lift grows and reaches a maximum before decaying; the d/D corresponding to the maximum fluctuating lift is dependent on T/D, and the relationship between them is linear, expressed as $d/D=1.2+{\frac{1}{e}}T/D$; that is, a larger d/D corresponds to a greater T/D for the maximum fluctuating lift.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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