Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.24
no.2
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pp.246-252
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2018
In this paper, the friction drag force of 3D submerged body is investigated by considering the surface roughness, the first grid height, and the Reynolds number using open CFD source code, OpenFOAM 4.0. A procedure for estimating drag components by CFD code is set up and suggested in this study. In the 3D submerged body, because of the form factor in the 3D computations, the friction resistance with the small roughness of $12{\mu}m$ obtains different result with the smooth wall. As the Reynolds number increased, the boundary layer becomes thinner and the fiction resistance tends to decrease. In the computations for the effect of y+, the friction resistance and wall shear stress are excessively predicted when the y+ value deviates from the log layer. This is presumably because the boundary layer becomes thicker and the turbulence energy is excessively predicted in the nose due to the increase in y+ value. As the roughness increases, the boundary layer becomes thicker and the turbulence kinetic energy on the surface increases. From this study, the drag estimation method, considering the roughness by numerical analysis for ships or offshore structures, can be provided by using the suggested the y+ value and surface roughness with wall function.
Direct numerical simulation (DNS) dataset of a turbulent boundary layer (TBL) with a step change from smooth to rough surface is analyzed to examine spatially developing flow characteristics. The roughness elements are periodically arranged two-dimensional (2-D) spanwise rods with a streamwise pitch of ${\lambda}=8k$ ($=12{\theta}_{in}$), and the roughness height is $k=15{\theta}_{in}$, where ${\theta}_{in}$ is the inlet momentum thickness. The step change is introduced $80{\theta}_{in}$ downstream from the inlet. For the first time, full images from the DNS data with the step change from the smooth to rough walls is present to get some idea of the geometry of turbulent coherent structures over rough wall, especially focusing on their existence and partial dynamics over the rough wall. The results show predominance of hairpin vortices over the rough wall and their spanwise scale growth mechanism by merging.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.4
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pp.353-362
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2009
In the process of turbine modernizations, the investigation of the influences of water passage roughness on radial flow machine performance is crucial and validates the efficiency step up between reduced scale model and prototype. This study presents the specific losses per component of a Francis turbine, which are estimated by CFD simulation. Simulations are performed for different water passage surface roughness heights, which represents the equivalent sand grain roughness height. As a result, the boundary layer logarithmic velocity profile still exists for rough walls, but moves closer to the wall. Consequently, the wall friction depends not only on roughness height but also on its shape and distribution. The specific losses are determined by CFD numerical simulations for each component of the prototype, taking into account its own specific sand grain roughness height. The model efficiency step up between reduced scale model and prototype value is finally computed by the assessment of specific losses on prototype and by evaluating specific losses for a reduced scale model with smooth walls. Furthermore, surveys of rough walls of each component were performed during the geometry recovery on the prototype and comparisons are made with experimental data from the EPFL Laboratory for Hydraulic Machines reduced scale model measurements. This study underlines that if rough walls are considered, the CFD approach estimates well the local friction loss coefficient. It is clear that by considering sand grain roughness heights in CFD simulations, its forms a significant part of the global performance estimation. The availability of the efficiency field measurements provides an unique opportunity to assess the CFD method in view of a systematic approach for turbine modernization step up evaluation. Moreover, this paper states that CFD is a very promising tool for future evaluation of turbine performance transposition from the scale model to the prototype.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.4
no.5
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pp.26-36
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1996
The fully developed turbulent momentum and heat transfer induced by the square-ribbed roughness elements on both the inner and outer wall surfaces in concentric annuli are studied analytically based on a modified turbulence model. The analytical results of the fuid flow are verified by experiment. The experiment is done with a pitot tube and a X-type hot wire anemometer to measure the time mean velocity profiles, zero shear stress positions, maximum velocity positions and friction factors, and etc. shown in Fig.1. The resulting momentum and heat transfer are discussed in terms of various parameters, such as the radius ratio, the relative roughness, the roughness density, Reynolds number, Nusselt bumber and Prand시 number. The study demonstrates that certain artificial roughness elements may be used to enhance heat transfer rates with advantage from the overall efficiency point of view by investigating turbulent flows and heat transfer in Fig.1.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.4
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pp.1072-1080
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1994
The fully developed turbulent momentum and heat transfer induced by the square-ribed roughness elements on the outer wall surface in concentric annuli are studied analytically based on a modified turbulence model. The analytical results of the fluid flow are verified by experiment. The resulting momentum and heat transfer are discussed in terms of various parameters, such as the radius ratio, the relative roughness, the roughness density, Reynolds number, Nusselt number and Prandtl number. The study demonstrates that certain artificial roughness elements may be used to enhance heat transfer rates with advantages from the overall efficiency point of view.
Journal of the Korean Society of Fisheries and Ocean Technology
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v.27
no.2
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pp.120-124
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1991
An interaction of turbulent boundary layer and local roughness effects was evaluated to investigate the shear frictional coefficient in diffuser. Clauser roughness function was applied to Karman's integral equation for governing equation. The roughness of overall and local diffuser surfaces were calculated using Cole's wall and wake law and Clauser's roughness function for turbulent boundary layer characteristics. The calculating results were compared with the experimental results of other paper. It shows some significant improyements for shear frictional coefficient. Computer code was then used to confirm the behavior of local frictional coefficient along with diffuser roughness surface for some reduction of shear flow stress.
The suitability of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations on the built environment for the purpose of estimating average roughness characteristics and for studying wind flow patterns within the environment is assessed. Urban models of various levels of complexity are considered including an empty domain, array of obstacles arranged in regular and staggered manners, in-homogeneous roughness with multiple patches, a semi-idealized built environment, and finally a real built environment. For each of the test cases, we conducted CFD simulations using RANS turbulence closure and validated the results against appropriate methods: existing empirical formulas for the homogeneous roughness case, empirical wind speed models for the in-homogeneous roughness case, and wind tunnel tests for the semi-idealized built environment case. In general, results obtained from the CFD simulations show good agreement with the corresponding validation methods, thereby, giving further evidence to the suitability of CFD simulations for built environment studies consisting of wide-ranging roughness. This work also provides a comprehensive overview of roughness modeling in CFD-from the simplest approach of modeling roughness implicitly through wall functions to the most elaborate approach of modeling roughness explicitly for the sake of accurate wind flow simulations within the built environment.
Mass and flow resistance in a square ribbed microchannel have been studied numerically using the Lattice Boltzmann Method. It has been build up on two dimensional nine velocity vectors model with single relaxation time method called the Lattice Bhatnagor-Gross-Krook model. To analyze the roughness effect on the flow resistance namely the friction factor and mass flow has been discussed at the slip flow regime, $0.01{\leq}Kn{\leq}0.10$, where Kn is the Knudsen number. The wall roughness is considered by square microelements with a relative roughness height up to maximum 10% of channel height. The velocity profiles in terms of streamlines near the riblets are demonstrated to be responsible for the roughness effect. It is found that the roughness effect leads to increase the flow resistance with roughness height but it is decreased significantly with increasing the space between two roughness elements as well as the Knudsen number. In addition, the mass flow decreased linearly with increasing both roughness height and gap but significantly changed at the slip flow regime.
Dodaran, Asgar Ahadpour;Park, Sang Kil;Kim, Kook Hyun;Shahmirzadi, Mohammad Ebrahim Meshkati;Park, Hong Bum
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.29
no.1
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pp.62-69
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2015
Coastlines are protected by breakwater structures against the erosion of sand or other materials along beaches due to wave action. This research examined the use of physical modeling to determine the effects of the tetrapod size and vertical walls of a rubble mound on the volume of wave overtopping under irregular wave conditions in coastal areas in Busan Yacht Harbor. In this analysis model, the structures were studied using irregular waves and the JONSWAP wave energy spectrum. To understand the effects of the tetrapod size and heights of the vertical wall, the study considered vertical walls of 0, 1.78, 6.83, and 9.33 cm with armor double layered material tetrapods of 8, 12, 16, and 20 tons. An extensive number of experiments covering a relatively large range of variables enabled a comprehensive discussion. First, in the presence of a short vertical wall, the water level played a key role in the overtopping discharge. In such circumstances, the values of the wave overtopping discharge decreased with increasing freeboard size. In the presence of a tall freeboard and middle, the value of the wave overtopping discharge was equally influenced by the vertical wall factor. Moreover, the tetrapod size decreased by an increase in the vertical wall factor, and relationship between them resulted in a short wall height. From an engineering point of view, considering a small water level may allow the choice of a shorter vertical wall, which would ultimately provide a more economical design.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.7
no.3
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pp.301-312
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1983
Experimental results for the variation of the flow characteristics and heat transfer coefficients in the entrance region of concentric annular pipe with artificial roughness are compared with the theoretical results by numerical analysis. In the experiments, velocity profiles, pressure gradients and heat transfer coefficients were measured with variation of the Reynolds number for the constant ratio of pitch to height at the hydrodynamic entry region. Wall temperature of inner heated pipe with constant heat flux was measured at thermal entry region after the hydrodynamically fully developed region of flow. Experimental data agree well with numerical predictions. Both results show that turbulent flow of annular pipe with artificial roughness is fully developed thermally much faster than that of smooth pipe. Nusselt number of annular pipe with roughness is much higher than that of smooth pipe. However the ratios of Nusselt number of annular pipe with artificial roughness to that of smooth pipe does not vary with Reynolds number.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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