Mano Sekar;Amjad Ali Pasha;Nadaraja Pillai Subramania
Wind and Structures
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제37권1호
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pp.15-23
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2023
The wake behavior of extended flat plate and serration in the trailing edge of S809 airfoil is presented in this experimental study using wind tunnel testing. The clustering of wind turbines in wind parks has recently been a pressing issue, due to the expected increase in power output and deciding the number of wind turbines to be installed. One of the prominent factors which influence the performance of the subsequent wind turbines is the downstream wake characteristics. A series of wind tunnel investigations were performed to assess the downstream near wake characteristics of the S809 airfoil at various angles of attack corresponding to the Reynolds Number Re = 2.02 × 105. These experimental results revealed the complex nature of the downstream near wake characteristics featuring substantial asymmetry arising out of the incoherent flow separations prevailing over the suction and the pressure sides of the airfoil. Based on the experimental results, it is found that the wake width and the downstream velocity ratio decrease with an increase in the angle of attack. Nonetheless, the dissipation length and downstream velocity ratio increases proportionally in the downstream direction. Additionally, attempts were made to understand the physical nature of the near wake characteristics at 1C, 2C, 3C and 4C downstream locations.
Flow-excited acoustic resonance in ducted cavities can produce high levels of acoustic pressure that may lead to severe damage. This occurs when the flow instability over the cavity mouth, which is created by the free shear layer separation at the upstream edge, is coupled with one of the acoustic modes in the accommodating enclosure. Acoustic resonance can cause high amplitude fluctuating acoustic loads in and near the cavity. Such acoustic loads could cause damage in sensitive applications such as aircraft weapon bays. Therefore, the suppression and mitigation of these resonances are very important. Much of the work done in the past focused on the fluid-dynamic oscillation mechanism or suppressing the resonance by altering the edge condition at the shear layer separation. However, the effect of the downstream edge has received much less attention. This paper considers the effect of the impingement edge geometry on the acoustic resonance excitation and Strouhal number values of the flow instabilities in a ducted shallow cavity with an aspect ratio of 1.0. Several edges, including chamfered edges with different angles and round edges with different radii, were investigated. In addition, some downstream edges that have never been studied before, such as saw-tooth edges, spanwise cylinders, higher and lower steps, and straight and delta spoilers, are investigated. The experiments are conducted in an open-loop wind tunnel that can generate flows with a Mach number up to 0.45. The study shows that when some edge geometries, such as lower steps, chamfered, round, and saw-tooth edges, are installed downstream, they demonstrate a promising reduction in the acoustic resonance. On the other hand, higher steps and straight spoilers resulted in intensifying the acoustic resonance. In addition, the effect of edge geometry on the Strouhal number is presented.
The large-eddy simulation (LES) was carried out to evaluate the instantaneous vector and vorticity profiles of a small-size axial fan (SSAF) at the operating point of full-flowrate. The downstream flow of the SSAF exhibits a shorter axial flow when not fully developed, especially the stronger vortex appears at the edge near the flow end. On the other hand, the downstream flow of the SSAF exhibits a longer axial flow, and the weaker vortex appears at the edge near the flow end when the flow is sufficiently developed. Moreover, in the downstream of the SSAF, a periodic and intermittent flow pattern appears at the edge showing the axial flow, and the instantaneous vorticity contour lines showing the form of a circle group are distributed at specific intervals from the downstream region of the blade tip, which is considered to be the result of the intermittency phenomenon influenced by the number of blades and the number of revolutions.
The effects of the frequency of upstream gust on the unsteady boundary characteristics on a downstream blade was simulated by using a Navier-Stokes code. The Navier-Stokes code is based on an unstructured finite volume method and uses a low Reynolds k-e turbulence model to close the momentum equations. The MIT flapping foil experiment set-up is used to simulate the interaction between the upstream wake and a blade. The frequency of the upstream wake is simulated by varying rate of pitching motion of the flapping airfoils. Three reduced frequencies. 3.62. 7.24. and 10.86. are simulated. As the frequency increases, the unsteady fluctuation on the surfaces of the downstream hydrofoil is shown to decrease while the upstream flapper wake has larger first harmonics of y-velocity component. The unsteady vortices are shown to interact with each other and. as a result. the upstream wake becomes undiscernible inside the inner layer. The turbulence kinetic energy shows a similar behavior. Limiting streamlines around the trailing edge of the flapper are shown to conform with the unsteady Kutta condition for a round trailing edge. while limiting streamlines around the trailing edge of the hydrofoil conforms with the unsteady Kutta condition for a sharp edge.
The phase criterion of the feedback cycle of low-speed edgetones has been obtained using the jet-edge interaction model which is based on the substitution of an array of dipoles for the reaction of the wedge to the impinging jet. The edgetone is produced by the feedback loop between the downstream-convected sinuous disturbance and upstream-propagating waves generated by the impingement of the disturbance on the wedge. By estimation of the phase difference between the downstream and the upstream disturbances, the relationship between the edge distance and the wavelength is obtained according to the phase-locking condition at the nozzle lip. With a little variation depending on the characteristics of jet-edge interaction, the criterion can be approximated as follows: h/.LAMBDA. + h/.lambda. = n - 1/4, where h is the stand-off distance between the nozzle lip and the edge tip, .LAMBDA. is the wavelength of downstream-convected wave, .lambda. is the wavelength of the upstream-propagating acoustic wave and n is the stage number for the ladder-like characteristics of frequency. The present criterion has been confirmed by estimating wavelengths from available experimental data and investigating their appropriateness. The above criterion has been found to be effective up to 90.deg. of wedge angle corresponding to the cavitytones.
Using a semi-circled blunt body model, the geometrical effects of injection hole on the turbine blade leading edge film cooling are investigated. The film cooling characteristics of two shaped holes (laterally- and streamwise-diffused holes) and three cylindrical holes with different lateral injection angles, 30°, 45°, 60°, respectively, are compared with those of cylindrical hole with no lateral injection angle experimentally and numerically. Kidney vortices, which decrease the adiabatic film cooling effectiveness, appear on downstream of the cylindrical hole with no lateral injection angle. At downstream of the two shaped holes have better film cooling characteristics than the cylindrical one. Instead of kidney vortices, single vortex appears on downstream of injection holes with lateral injection angle. The adiabatic film cooling effectiveness is symmetrically distributed along the lateral direction downstream of the cylindrical hole with no lateral injection angle. But, at downstream of the cylindrical holes with lateral injection angle, the distribution of adiabatic film cooling effectiveness in the lateral direction shows asymmetric nature and high adiabatic film cooling effectiveness regions are more widely distributed than those of the cylindrical hole with no lateral injection angle. As the blowing ratio increases, also, the effects of hole shapes and injection angles increase.
The ruptured blade which is rotating at high speed can damage severely the all stage compressor blades and the turbine components. If the shattered blades flow downstream inside the turbine parts, then the turbine blades and vanes can be damaged. The small parts of shattered blades which are flowed into the turbine parts pass through without any damages in the leading edge of the first stage stationary blades. Then they bump against the convex side of the leading edge of the first stage moving blades and the trailing edge of the first stage stationary blades repeatedly. The debris of shattered blades may plug the cooling holes in the turbine blades and vanes. The dent damage and the coating delamination could be also occurred by the debris of shattered blades flowed downstream inside the combustion liner and the transition piece. This paper analyzes the influence on the turbine components and the damage mechanism and characteristics in case of the damaged blade of the multiple-stage axial flow compressor.
A theoretical model has been developed to analyze the jet-edge interaction and the sound radiation. The edge responding to the sinuous impinging jet is regarded as an array of dipoles and their strength is determined by the boundary condition on the edge surface. The surface pressure distribution and the edgeforce are estimated using these dipoles. Then the pressure amplitude and directivity of the sound field is obtained by summing the radiating sounds from the dipole sources. It is found that the effective source is located a little distance downstream from the edge tip. And the directivity of the sound radiation is cardioid pattern near the edge but dipole pattern far from the edge. The theoretical model is confirmed by comparing the theoretical prediction of the edgeforce and sound pressure level with available experimental data.
Large eddy simulation is used to investigate the compressible flow over a cavity with high aspect ratio. The sub-grid scale stresses are modeled using the dynamic model. The compressible Navier-Stokes equations are solved with the sixth order accurate compact finite difference scheme in the space and the 4th order Runge-Kutta scheme in the time. The buffer Bone techniques are used for non-reflecting boundary conditions. The results show the shear layer oscillation over the cavity. The votical disturbances, the roll-up of vorticity, and impingement and scattering of vorticity at the downstream cavity edge can be seen in the shear layer. Several peaks for the resonant frequencies are found in the spectra of the vertical velocity at the center-line. The most energetic Peak near the downstream edge is different from that at the center part of the cavity The pressure has its minimum value in the vortex core inside the cavity, and becomes very high at the downstream face of the cavity. The variation of the model coefficient predicted by the dynamic model is quite large between 0 and 0.3. The model coefficient increases in the stream-wise evolution of the shear layer and sharply decreases near the wall due to the wall effect.
An edge tone is the discrete tone or narrow-band sound produced by an oscillating free shear layer, impinging on a rigid surface. In this paper, we present a 2-D edge tone to predict the frequency characteristics of the discrete oscillations of a jet-edge feedback cycle, using the finite difference lattice Boltzmann method (FDLBM). We use a modified version of the lattice BGK compressible fluid model, adding an additional term and allowing for longer time increments, compared to a conventional FDLBM, and also use a boundary fitted coordinates system. The jet is chosen long enough in order to guarantee the parabolic velocity profile of the jet at the outlet, and the edge consists of a wedge with an angle of ${\alpha}$ = 23. At a stand-off distance, the edge is inserted along the centerline of the jet, and a sinuous instability wave, with real frequency, is assumed to be created in the vicinity of the nozzle and propagates towards the downstream. We have succeeded in capturing very small pressure fluctuations, resulting from periodical oscillations of a jet around the edge. The pressure fluctuations propagate with the speed of sound. Its interaction with the wedge produces an non-rotational feedback field, which, near the nozzle exit, is a periodic transverse flow, producing the singularities at the nozzle lips.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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