Due to rapid progress in the performance of high-end computers, numerical prediction of fluid flow and flow-induced sound is expected to become a vital tool for aero- and hydro- dynamic design of various flow-related products. This presentation focuses on the applications of large-scale numerical simulations to complex engineering problems with a particular emphasis placed on the low-speed flows. Flow field computations are based on a large eddy simulation that directly computes all active eddies in the flow and models only those eddies responsible for energy dissipations. The sound generated from low-speed turbulent flows are computed either by direct numerical simulation or by decoupled methods, according to whether or not the feedback effects of the generated sound onto the source flow field can be neglected. Several numerical examples are presented in order to elucidate the present status of such computational methods and discussion on the future prospects will also be given.
Large eddy simulation of vortexing flow of molten steel in the continuous casting mold with and without DC magnetic field was conducted. The influence of the position of magnetic field to the residence time and depth of the vortex was analyzed. The mechanism of the influence of magnetic field to the vortexing flow was found. The computational results show that the vortexing flow is the result of shearing of the two un-symmetric surface flows from the mold narrow faces when they meet adjacent to the SEN; the un-symmetric flow for turbulent vortex is caused by turbulent energy of the fluid and that for biased vortex is caused by biased flow and the turbulent energy of fluid; with the moving of the magnetic field from the centerline of the outlet of the SEN to the free surface, the surface velocity is decreased gradually and the depth of the turbulent vortex and the biased vortex is decreased, the residence time is increased with the magnetic field moves from DL=120mm to DL=60mm and then decreased; the turbulent vortex and the biased vortex can be eliminated when the magnetic field is located at the free surface.
Large eddy simulation(LES) methodology used to model the isothermal swirling flows in a dump combustor and the turbulent premixed flame in a model gas turbine combustor. The LES solver was implemented on parallel computer consisting 16 processors. In isothermal flow simulation, the results was compared with that of ${\kappa}-{\varepsilon}$ model as well as experimental data, in order to verify the capability of LES code. To model the turbulent premixed flame in a gas turbine, the G-equation flamelet model was used. The results showd that LES and RANS well predicted the mean velocity field of a non-swirling flow. However, in swirling flow, LES showed a better performance in predicting the mean axial and azimuthal velocities, and the central recirculation zone than those of RANS. In a model gas turbine combustor, the operation condition of high pressure and temperature induced the different phenomena, such as flame length and flow-field information, comparing with the condition of ambient pressure and temperature. Finally, it was identified that the flame and heat release oscillations are related to the vortex shedding generated by swirl flow and pressure wave propagation.
The Numerical simulation was performed on the flow field around the two-dimensional rectangular bluff body in order to complement the previous experimental results of the bluff body stabilized flames [1]. For both fuel ejection configurations against an oxidizer stream, the flame stability was affected mainly by vortex structure and mixing field near bluff body. FDS(Fire Dynamic Simulator) based on the LES(Large Eddy Simulation) was employed to clarify the isothermal mixing characteristic and wake flow pattern around bluff body. The air used atmosphere and the fuel used methane. The result of counter flow configuration shows that the flow field depends on air velocity but the mixing field is influenced on the fuel velocity. At low fuel velocity the fuel mole fraction is below the flammable limit and hence the mixing is insufficient to react. Therefore, as the result, the flame formed at low fuel velocity is characterized by non-premixed flames. For the flow field of co-flow configuration, flame stability was affected by fuel velocity as well as air velocity. the vortex generated by fuel stream has counter rotating direction against the air stream. Therefore, the momentum ratio between air and fuel stream was important to decide the flame blow out limit, which is result in the characteristic of the partially premixed reacting wake near extinction.
Optimal flow-field design of bipolar-plates for a commercial class PEM(polymer electrolyte membrane) fuel cell stack was carried out on the basis of three-dimensional computational fluid dynamics(CFD) simulation. A three-dimensional CFD model originally developed by Shimpalee et al., has been utilized for performing large-scale simulation of a single fuel cell consisting of bipolar-plates gas diffusion layers, and a membrane-electrode-assembly(MEA). The CFD model is able to predict the current density, pressure drops, gas velocities, vapor and liquid water contents, temperature distributions, etc. inside a single fuel cell. Depending on simulation results from the CFD modeling of a PEM fuel cell, several flow-fields of bipolar-plates were designed and verified. The final design of the bipolar-plate has been chosen from the simulations and experimental tests and showed the best performance as expected from the simulation results under a normal operating condition. Thus, the CFD simulation approach to design the optimal flow-field of the bipolar-plates was successful. The final design was adopted as the best flow-field to build a commercial scale PEM fuel cell stack, the performance of which shows about 42% higher than that of the older bipolar-plate design.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.3
s.234
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pp.314-321
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2005
Discrete Wavelet Transform (DWT) has been applied to the Direct Numerical Simulation (DNS) data of turbulent channel flow. DWT splits the turbulent flow into two orthogonal parts, one corresponding to coherent structures and the other to incoherent background flow. The coherent structure is extracted from not vorticity field but velocity's since the channel flow is not isoropic. By comparing DWT's result of channel flow with that of isotropic flow, it is shown that coherent structure maintains the properties of original channel flow. The velocity field of coherent structures can be represented by few wavelet modes and that these modes are sufficient to reproduce the velocity probability density function (PDF) and the energy spectrum over the entire inertial range. The remaining incoherent background flow is homogeneous, has small amplitude, and is uncorrelated. These results are compared with those obtained for the same compression rate using large eddy simulation (LES) filtering. In contrast to the incoherent background flow of DWT, the LES subgrid scales have a much larger amplitude and are correlated, which makes their statistical modeling more difficult.
Discrete Wavelet Transform (DWT) has been applied to the Direct Numerical Simulation (DNS) data of turbulent channel flow. DWT splits the turbulent flow into two orthogonal parts, one corresponding to coherent structures and the other to incoherent background flow. The coherent structure is extracted from not vorticity field but velocity's since the channel flow is not isotropic. By comparing DWT's result of channel flow with that of isotropic flow, it is shown that coherent structure maintains the properties of original channel flow. The velocity field of coherent structures can be represented by few wavelet modes and that these modes are sufficient to reproduce the velocity probability distribution function (PDF) and the energy spectrum over the entire inertial range. The remaining incoherent background flow is homogeneous, has small amplitude, and is uncorrelated. These results are compared with those obtained for the same compression rate using large eddy simulation (LES) filtering. In contrast to the incoherent background flow of DWT, the LES subgrid scales have a much larger amplitude and are correlated, which makes their statistical modeling more difficult.
When exposed to uniform magnetic fields externally applied, paramagnetic particles acquire dipole moments and the induced moments interacting with each other lead to the formation of chainlike structures or clusters of particles aligned with the field direction. A direct simulation method, based on the Maxwell stress tensor and a fictitious domain method, is applied to solve flows with magnetic chains in simple shear flow. We assumed that the particles constituting the chains are paramagnetic, and inertia of both flow and magnetic particles is negligible. The numerical scheme enables us to take into account both hydrodynamic and magnetic interactions between particles in a fully coupled manner, enabling us to numerically visualize breakup and reformation of the chains by the combined effect of the external field and the shear flow. Simple shear flow with suspended magnetic chains is solved in a periodic domain for a given magnetic field. Dynamics of interacting magnetic chains is found to be significantly affected by a dimensionless parameter called the Mason number, the ratio of the viscous force to the magnetic force in the shear flow. The effect of particle area fraction on the chain dynamics is investigated as well.
Numerical simulation model using nesting method and considering topographic features was developed to predict atmospheric environments atmospheric flow temperature and diffusion of air pollutants in Kwangyang bay where having complex areas of point sources Korea. In addition developed simulation model was used tracing of spreading range of pollutants when a gas leaks suddenly from Yeo-cheon industrial complex. by comparing the measured and calculated data on atmospheric flow temperature and diffusion of air pollutants the results showed that this model can be well applied and complicated topography affected the diffusion of air pollutants.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.6
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pp.779-792
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1997
Flow characteristics are numerically investigated when a packet of waves consisting of a Tollmien-Schlichting wave and a pair of Squire waves evolves in a flat-plate laminar boundary layer using a large eddy simulation with a dynamic subgrid-scale model. Characteristics of early stage transitional boundary layer flow such as the .LAMBDA. vortex, variation of the skin friction and backscatter are predicted. Smagorinsky constants and the eddy viscosity obtained from the dynamic subgrid-scale model significantly change as the flow evolves. Far Field noise radiated from the transitional boundary layer shows the dipole and quadrupole characteristics owing to the wall shear stress and the Reynolds stresses, respectively.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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