A theoretical study is made of the steady flow of a compressible fluid in a rapidly rotating finite cylinder. Flow is generated by imposing mechanical and/or thermal disturbances at the rotating endwall disks. Both the Ekman and Rossby numbers are small. A detailed consideration is given to the energy budget for a control volume in the Ekman boundary layer. A combination of physical variables, which is termed the energy contents, consisting of temperature and modified angular momentum, emerges to be relevant. The distinguishing features of a compressible fluid, in contrast to those of an incompressible fluid, are noted. For the Taylor-Proudman column to be sustained, in the interior, it is shown that the net energy transport between the solid disk wall and the interior fluid should vanish. Physical rationalizations are facilitated by resorting to the concept of the afore-stated energy content.
Computational work using the axisymmetric, compressible, Navier-Stokes Equations is carried out to predict the discharge coefficient of mass flow through a micro-critical nozzle. Several kinds of turbulence models and wall functions are employed to validate the computational predictions. The computed results are compared with the previous experimented ones. The present computations predict the experimental discharge coefficients with a reasonable accuracy. It is found that the standard $k-\varepsilon$ turbulence model with the standard wall function gives a best prediction of the discharge coefficients. The displacement thickness of the nozzle wall boundary layer is evaluated at the nozzle throat and is well compared to a prediction obtained by an empirical equation. The resulting displacement thickness of the wall boundary layer is about 2% to 0.6% of the diameter of the nozzle throat for the Reynolds numbers of 2000 to 20000.
This paper presents a comparative study of a fully coupled, upwind, compressible Navier-Stokes code with three two-equation models and the Baldwin-Lomax algebraic model in predicting transonic/supersonic flow. The k-$\varepsilon$ turbulence model of Abe performed well in predicting the pressure distributions and the velocity profiles near the flow separation over the axisymmetric bump, even though there were some discrepancies with the experimental data in the shear-stress distributions. Additionally, it is noted that this model has y$\^$*/ in damping functions instead of y$\^$+/. The turbulence model of Abe and Wilcox showed better agreements in skin friction coefficient distribution with the experimental data than the other models did for a supersonic compression ramp problem. Wilcox's model seems to be more reliable than the other models in terms of numerical stability. The two-equation models revealed that the redevelopment of the boundary layer was somewhat slow downstream of the reattachment portion.
This paper is about the code that realizes the $e^N$-Method for boundary-layer transition prediction. The $e^N$-Method based on the linear stability theory is applied to predicting boundary-layer transition frequently. This paper deals with the construction of code, stability analysis and the calculation of N-factor. The results of transition prediction using the $e^N$-Method for flat plate/cone compressible boundary-layers are presented.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.4
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pp.933-945
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1994
A shock-wave in a supersonic flow can be theoretically determined by a given pressure ratio at upstream and downstream flowfields, and then the obtained shock-wave is stable in its position. Under the practical situation in which the shock-wave interacts with the boundary layer along a solid wall, it cannot, however, be stable even for the given pressure ratio being independent of time and oscillates around a time-mean position. In the present study, oscillations of a weak normal shock-wave in a supersonic diffuser were measured by a Line Image Sensor(LIS), and they were compared with the data of the wall pressure fluctuations at the foot of the shock-wave interacting with the wall boundary layer. LIS was incorporated into a conventional schlieren optical system and its signal, instantaneous displacement of the interacting shock-wave, was analyzed by a statistical method. The results show that the displacement of an oscillating shock-wave increase with the upstream Mach number and the dominant frequency components of the oscillating shock-wave are below 200 Hz. Measurements indicated that shock-wave oscillations may not entirely be caused by the boundary layer separation. The statistical properties of oscillations appeared, however, to be significantly affected by shock-induced separation of turbulent boundary layer.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.2
no.2
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pp.115-124
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1999
The interaction of weak normal shock wave with turbulent boundary layer in a supersonic nozzle was investigated experimentally by wall static pressure measurements and by schlieren optical observations. The lime-mean flow in the interaction region was classified into four patterns according to the ratio of the pressure $p_k$ at the first kink point in the pressure distribution of the interaction region to the pressure $p_1$ just upstream of the shock. It is shown for any flow pattern that the wall static pressure rise near the shock foot can be described by the "free interaction" which is defined by Chapman et al. The ratio of the triple point height $h_t$ of the bifurcated shock to the undisturbed boundary layer thickness ${\delta}_1$ upstream of the interaction increases with the upstream Mach number $M_1$, and for a fixed $M_1$, the normalized triple point height $h_t/{\delta}_1$ decreases with increasing ${\delta}_1/h$, where h is the duct half-height.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.2
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pp.18-25
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2007
Computational study on the passive control of the oblique shock-wave/turbulent boundary-layer interaction utilizing slotted plates over a cavity has been carried out. The numerical boundary layer profile upstream of the interaction follows the compressible turbulent boundary-layer theory reasonably well, and the other results also show good agreements with the experimental observations, such as the wall surface pressures and Schlieren flow visualizations. Further, the effects of various slot configuration including number, location and angle of the slots on the characteristics of the interactions, such as the variation of the total pressures, the boundary-layer characteristics downstream of the interaction and the recirculating mass flux through the slots, are also tested and compared.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.3
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pp.1083-1095
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1996
Shock wave/boundary layer interaction frequently causes the shock wave to oscillate violently and thus the global flow field to unstabilize. In order to stabilize the shock wave system in the diffuser of a supersonic wind tunnel, the present study attempted to control the shock oscillations by using a passive control. A porous wall with the porosity of 19.6% was mounted on a shallow cavity. Experiment was made by means of schlieren optical observation and wall pressure measurements. The flow Mach number just upstream the shock system and Reynolds number based on the turbulent boundary layer thickness were 2.1 and 1.8 * 10$\^$6/, respectively. The results show that the present passive control method on the shock wave/boundary layer interaction in the supersonic diffuser can significantly suppress the oscillations of shock system, especially when the shock system locates at the porous wall.
The interaction patterns between shock wave and boundary layer in a rocket nozzle are mainly classified into two categories, FSS(Free Shock Separation) and RSS(Restricted Shock Separation), both of which are associated with the thrust characteristics as well as side loads of the engine. According to the previous investigations, strong side loads of the engine are produced during the period of transition from FSS to RSS or vice versa. The present work aims at investigating the unsteady behavior of the separation shock waves in a two-dimensional supersonic nozzle, using experimental method and CFD. Schlieren optical method was employed to visualize the time-mean and time-dependent shock motions in the nozzle. The unsteady, compressible N-S equations with SST K-$\omega$ turbulence closure were solved using a fully implicit finite volume scheme. The results obtained show the separation shock motions during the transition of the interaction pattern.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.6
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pp.1639-1644
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1990
Effects of radiation on the wall-friction and heat transfer in the convergent and divergent nozzle of a rocket motor are investigated in the present paper. Radiative heat transfer cools down the core gas, and the decrease in the gas temperature reduces the convective heat transfer on the wall. Radiation heat transfer is estimated by using mean-beam-length approach and core flow is assumed to be one-dimensional isentropic. The compressible thermal boundary layer is solved by a finite difference method. The Cebeci-Smith eddy viscosity model is adopted for the present study. Convective heat transfer is reduced at the throat of the nozzle and is almost compensated with an increase in radiative transfer. In the sequel total heat transfer rate is slightly reduced. However, radiation heat transfer is dominant in the converging part of the nozzle.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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