Compressible gas flow through a convergent-divergent nozzle is choked at the nozzle throat under a certain critical pressure ratio, and then being no longer dependent on the pressure change in the downstream flow field. In practical, the flow field at the divergent part of the critical nozzle can affect the effective critical pressure ratio. In order to investigate details of flow field through a critical nozzle, the present study solves the axisymmetric, compressible, Wavier-Stokes equations. The diameter of the nozzle throat is D=8.26mm and the half angle of the diffuser is changed between $2^{\circ}\;and\;10^{\circ}$ Computational results are compared with the previous experimental ones. The results obtained show that the divergence angle is significantly influences the critical pressure ratio and the present computations predict the experimented discharge coefficient and critical pressure ratio with a good accuracy. It is also found that a nozzle with the half angle of $4^{\circ}$ nearly predicts the theoretical critical pressure ratio.
In general, a single gas flow through a converging nozzle is choked when the pressure communications between the downstream and upstream flowfields are broken by the sonic condition of Mach number, M=1. A similar phenomenon may occur In two streams of different stagnation properties flowing side by side in a converging nozzle. In this case, the limiting condition of M=1 for flow choking is no longer applied to such a compound compressible flow. The compound choking phenomenon can be explained by means of a compound sound wave at the nozzle exit. In order to detail the flow characteristics involved in such a compound choking of the two streams, the two-dimensional, compressible, Wavier-Stokes equations have been solved using a fully implicit finite volume method and compared with the results of the one-dimensional theoretical analysis. The computational and theoretical results show that the compound sound wave can reasonably explain the compound choking phenomenon of the two streams in the convergent flow channel.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.31
no.1
s.256
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pp.51-61
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2007
This paper presents numerical and theoretical studies of acoustic wave interactions in slightly compressible liquids within piezoelectrically driven inkjet print heads. The interconnected flow channels may cause jet crosstalk, resulting in poor printing quality. It should be reduced by modifying the channel structure with the acoustic wave interactions considered. Compressible gas flow driven by the sudden movement of a top wall in the channel is calculated using Flow3D and is validated with the narrow gap theory. Limited compressibility model of the Flow3D is employed to calculate pressure waves of slightly compressible ink flow. It is found that reducing restrictor width can damp out the jet crosstalk by inhibiting the pressure wave propagation. The degree of crosstalk has been quantified using the maximum values of cross-correlations between neighboring channels and a critical channel dimension for acceptable crosstalk has been proposed. This finding is verified by drop visualization experiments using silicon-micromachined piezo inkjet print heads that are fabricated by our group.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.1
no.2
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pp.41-47
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1997
The flow choking in a double orifice is expected to depend on cross-sectional area ratios of the orifices, upstream Mach number and total pressure loss between the orifices. However, no research has been reported on the problems of the compressible flow through a double orifice so far. The present study investigated analytically the choke conditions of the compressible gas through a double orifice, using a simple compressible theory. The orifice area ratio, upstream Mach number, and total pressure loss were involved to find the effects that they have on the flow choking. The results of analytical method show that for orifice area ratios below 1.0, flow choking moves from the first to the second orifice as the total pressure loss increases, however, for orifice area ratios over 1.0, it occurs only at the second orifice.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.4
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pp.509-517
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1997
Results of flat plate compressible boundary layer calculation, based on discrete formulation of DSMC method, are presented in low Mach number and low Knudsen number range. The free stream is a uniform flow of pure nitrogen at various Mach numbers in low pressures (i.e. rarefied gas). Complete thermal accommodation and diffuse molecular reflections are used as the wall boundary condition, replacing unreal no-slip condition used in continuum calculations. In the discrete formulation of DSMC method, there is no need to use ad hoc assumptions on transport properties like viscosity and thermal conductivity, instead viscosity is calculated from values of other field variables (velocity and shear stress). Also the results are compared with existing self-similar continuum solutions. In all Mach number cases computed, velocity slip is most pronounced in regions near the leading edge where continuum formulation renders the solution singular. As the boundary layer develops further downstream, velocity slips asymptote to values that are between 10 to 20% of the magnitude of free stream velocity. When the free stream number density is reduced, so the gas more rarefied, the velocity slip increases as expected.
Cavitation on an axi-symmetric hemispherical head-form body was studied using an Reynolds-averaged Navier-Stokes equations solver based on a cell-centered finite volume method. To consider compressibility effects on the vapor phase and cavity interface, a pressure-based compressible flow CFD code was developed. To validate the developed CFD code, cavitating flow around the hemispherical head-form body was simulated using pressure-based incompressible and compressible CFD codes and validated against existing experimental data in the three-way comparison. The cavity shedding behavior, length of re-entrant jet, drag history, and Strouhal number of the hemispherical head-form body were compared between two CFD codes. The results, in this paper, suggested that the computations of cavitating flow with compressibility effects improve the description of cavity dynamics.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.3
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pp.183-195
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2007
Comprehensive mathematical comparison of numerical dissipation vector was made for a compressible and the preconditioned version Roe's Riemann solvers. Choi and Merkle type preconditioning method was selected from the investigation of the convergence characteristics of the various preconditioning methods for the flows over a two-dimensional bump. The investigation suggests a way of migration from a compressible code to a preconditioning code with a minor changes in Eigenvalues while maintaining the same code structure. Von Neumann stability condition and viscous Jacobian were considered additionally to improve the stability and accuracy for the viscous flow analysis. The developed code was validated through the applications to the standard validation problems.
This paper studies the dynamics of the lineal-located time-harmonic moving-with-constant-velocity load which acts on the hydro-elastic system consisting of the elastic plate, compressible viscous fluid - strip and rigid wall. The plane-strain state in the plate is considered and its motion is described by employing the exact equations of elastodynamics but the plane-parallel flow of the fluid is described by the linearized Navier-Stokes equations. It is assumed that the velocity and force vectors of the constituents are continuous on the contact plane between the plate and fluid, and impermeability conditions on the rigid wall are satisfied. Numerical results on the velocity and stress distributions on the interface plane are presented and discussed and the focus is on the influence of the effect caused by the interaction between oscillation and moving of the external load. During these discussions, the corresponding earlier results by the authors are used which were obtained in the cases where, on the system under consideration, only the oscillating or moving load acts. In particular, it is established that the magnitude of the aforementioned interaction depends significantly on the vibration phase of the system.
An analytical solution of the fully coupled system of equations governing the plane strain deformation of a poroelastic medium with anisotropic permeability and compressible fluid and solid constituents is obtained. This solution is used to study the consolidation of a poroelastic clay layer with free permeable surface resting on a rough-rigid permeable or impermeable base. The stresses and the pore pressure are taken as the basic state variables. Displacements are obtained by integrating the coupled constitutive relations. The case of normal surface loading is discussed in detail. The solution is obtained in the Laplace-Fourier domain. Two integrations are required to obtain the solution in the space-time domain which are evaluated numerically for normal strip loading. Consolidation of the clay layer and diffusion of pore pressure is studied for both the bases. It is found that the time settlement is accelerated by the permeability of the base. Initially, the pore pressure is not affected by the permeability of the base, but has a significant effect, as we move towards the bottom of the layer. Also, anisotropy in permeability and compressibilities of constituents of the poroelastic medium have a significant effect on the consolidation of the clay layer.
The paper studies the fluid flow profile contained between the orthotropic plate and rigid wall under the action of the moving load on the plate and main attention is focused on the fluid velocity profile in the load moving direction. It is assumed that the plate material is orthotropic one and the fluid is viscous and barotropic compressible. The plane-strain state in the plate and the plane flow of the fluid is considered. The motion of the plate is described by utilizing the exact equations of elastodynamics for anisotropic bodies, however, the flow of the fluid by utilizing the linearized Navier-Stokes equations. For the solution of the corresponding boundary value problem, the moving coordinate system associated with the moving load is introduced, after which the exponential Fourier transformation is employed with respect to the coordinate which indicates the distance of the material points from the moving load. The exact analytical expressions for the Fourier transforms of the sought values are obtained, the originals of which are determined numerically. Presented numerical results and their analyses are focused on the question of how the moving load acting on the face plane of the plate which is not in the contact with the fluid can cause the fluid flow and what type profile has this flow along the thickness direction of the strip filled by the fluid and, finally, how this profile changes ahead and behind with the distance of the moving load.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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