International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.3
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pp.194-204
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2016
Floating ring seals offer an opportunity to reduce leakage flows significantly in rotating machinery. Accordingly, they have been applied successfully to rotating machinery within the last several decades. For rocket turbopump applications, fundamental behavior and design philosophy have been revealed. However, further work is needed to explore the rotordynamic characteristics associated with rotor vibrations. In this study, rotordynamic forces for floating ring seals under rotor's whirling motions are calculated to elucidate rotordynamic characteristics. Comparisons between numerical simulation results and experiments demonstrated in our previous report are carried out. The three-dimensional Reynolds equation is solved by the finite-difference method to calculate hydrodynamic pressure distributions and the leakage flow rate. The entrance loss at the upstream inlet of the seal ring is calculated to estimate the Lomakin effect. The friction force at the secondary seal surface is also considered. Numerical simulation results showed that the rotordynamic forces of this type of floating ring seal are determined mainly by the friction force at the secondary seal surface. The seal ring is positioned almost concentrically relative to the rotor by the Lomakin effect. Numerical simulations agree quite well with the experimental results.
This paper represents the numerical analysis on effects of radius ratio in a concentric annulus with a rotating inner cylinder. The numerical model consisted of two cylinder which inner cylinder is rotating and outer cylinder is fix, and the axial direction is used the cyclic condition because of the length for axial direction is assumed infinite. The diameter of inner cylinder is assumed 86.8mm, the numerical parameters are angular velocity and radius ratio. Also, the whole walls of numerical model have no-slip and the working fluid is used water at $20^{\circ}C$. The numerical analysis is assumed the transient state to observe the flow variations by time and the 3-D cylindrical coordinate system. The calculation grid adopted a non-constant grid for dense arrangement near the wall side of cylinder, the standard $k-{\omega}$ high Reynolds number model to consider the effect of turbulence flow and wall, the fully implicit method for time term and the quick scheme for momentum equation. The numerical method is compared with the experimental results by Wereley and Lueptow, and the results are very good agreement. As the results, TVF isn't appeared when Re is small because of the initial flow instability is disappear by effect of the centrifugal force and viscosity. The vortex size is from 0.8 to 1.1 for TVF at various $\eta$, and the traveling distance for wavy vortex have the critical traveling distance for each case.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.5
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pp.1319-1332
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1995
Numerical analysis was performed to characterize the particle deposition behavior on a horizontal free-standing wafer with thermophoretic effect under the turbulent flow field. A low Reynolds number k-.epsilon. turbulence model was used to analyze the turbulent flow field around the wafer, and the temperature field for the calculation of the thermophoretic effect was predicted from the energy equation introducing the eddy diffusivity concept. The deposition mechanisms considered were convection, diffusion, sedimentation, turbulence and thermophoresis. For both the upper and lower surfaces of the wafer, the averaged particle deposition velocities and their radial distributions were calculated and compared with the laminar flow results and available experimental data. It was shown by the calculated averaged particle deposition velocities on the upper surface of the wafer that the deposition-free zone, where the deposition velocite is lower than 10$^{-5}$ cm/s, exists between 0.096 .mu.m and 1.6 .mu.m through the influence of thermophoresis with positive temperature difference of 10 K between the wafer and the ambient air. As for the calsulated local deposition velocities, for small particle sizes d$_{p}$<0.05 .mu.m, the deposition velocity is higher at the center of the wafer than at the wafer edge, whereas for particle size of d$_{p}$ = 2.0 .mu.m the deposition takes place mainly on the inside area of the wafer. Finally, an approximate model for calculating the deposition velocities was recommended and the calculated deposition velocity results were compared with the present numerical solutions, those of Schmidt et al.'s model and the experimental data of Opiolka et al.. It is shown by the comparison that the results of the recommended model agree better with the numerical solutions and Opiolka et al.'s data than those of Schmidt's simple model.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.3
no.3
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pp.31-39
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1999
In this paper, numerical experiment is attempted to analyze and compare the combustion efficiency of the burning sprays due to OFO, FOF triplet / FOOF split doublet injectors. Preconditioned Wavier-Stokes equation system with low Reynolds number $\kappa$-$\varepsilon$ model for turbulence closure, is LU-SGS time-integrated. Spray processes are modeled by DSF analysis with experimentally determined injection characteristics. n-heptane/air global reaction model approximates the combustion for simplicity, and the influence of turbulence on the chemical reaction is included using eddy dissipation model. The results showed the FOF triplet injector of highest combustion efficiency, whereas the OFO type of poet performance. It was also observed that the droplet mean diameter and the average gas temperature due to the mixing efficiency, are the representative parameters for the performance design of combustion.
Hwang, Sung Ho;Moon, Chang Gook;Lee, Jong Sung;Kim, Tae Ho
Tribology and Lubricants
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v.34
no.3
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pp.107-114
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2018
This paper presents a computational model of a gas foil journal bearing with shim foils between the top foil and bumps, and predicts its static and dynamic performance. The analysis takes the previously developed simple elastic foundation model for the top foil-bump structure and advances it by adding foil models for the "shim foil" and "outer top foil." The outer top foil is installed between the (inner) top foil and bumps, and the shim foil is installed between the inner top foil and outer top foil. Both the inner and outer top foils have an arc length of $360^{\circ}$, but the arc length of the shim foil is shorter, which causes a ramp near its leading edge in the bearing clearance profile. The Reynolds equation for isothermal and isoviscous ideal gas solves the hydrodynamic pressure that develops within the bearing clearance with preloads due to the ramp. The centerline pressure and film thickness predictions show that the shim foil mitigates the peak pressure occurring at the loading direction, and broadens the positive pressure as well as minimum film thickness zones except for the shortest shim foil arc length of $180^{\circ}$. In general, the shim foil decreases the journal eccentricity, and increases the power loss, direct stiffness, and damping coefficients. As the shim foil arc length increases, the journal eccentricity decreases while the attitude angle, minimum film thickness, and direct stiffness/damping coefficients in the horizontal direction increase.
Microturbomachinery (< 250 kW) using gas foil bearings can function without oil lubricants, simplify rotor-bearing systems, and demonstrate excellent rotordynamic stability at high speeds. State-of-the-art technologies generally use bump foil bearings or leaf foil bearings due to the specific advantages of each of the two types. Although these two types of bearings have been studied extensively, there are very few studies on leaf-bump foil bearings, which are a combination of the two aforementioned bearings. In this work, we illustrate a simple mathematical model of the leaf-bump foil bearing with leaf foils supported on bumps, and predict its static and dynamic performances. The analysis uses the simple elastic model for bumps that was previously developed and verified using experimental data, adds a leaf foil model, and solves the Reynolds equation for isothermal, isoviscous, and ideal gas fluid flow. The model predicts that the drag torques of the leaf-bump foil bearings are not affected significantly by static load and bearing clearance. Due to the preload effect of the leaf foils, rotor spinning, even under null static load, generates significant hydrodynamic pressure with its peak near the trailing edge of each leaf foil. A parametric study reveals that, while the journal eccentricity and minimum film thickness decrease, the drag torque, direct stiffness, and direct damping increase with increasing bump stiffness. The journal attitude angle and cross-coupled stiffness remain nearly constant with increasing bump stiffness. Interestingly, they are significantly smaller compared to the corresponding values obtained for bump foil bearings, thus, implying favorable rotor stability performance.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.35
no.9
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pp.903-913
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2011
A numerical study is carried out to analyze the steady three-dimensional turbulent flow through cylindrical and fan-shaped holes and the film cooling of these holes at low and high blowing ratios. Compressible Reynoldsaveraged Navier-Stokes equations and the energy equation are solved using a finite-volume-based solver, and a shearstress transport model is used as the turbulence closure. The effects of the compound angle, pitch to diameter ratio, and lateral expansion angle of the hole on the film-cooling effectiveness are evaluated by the film-cooling effectiveness. It is observed that the compound angle of the hole enhances the film performance for the cylindrical hole, and a small hole pitch induces interactions between the coolants from the adjacent holes, thus reducing the film-cooling performance.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.12
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pp.1738-1746
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2002
In the FSI (Fluid-Structure Interaction) problems, two different governing equations are to be solved together. One is fur the fluid and the other for the structure. Furthermore, a kinematic constraint should be imposed along the boundary between the fluid and the structure. We use the combined formulation, which incorporates both the fluid and structure equations of motion into a single coupled variational equation so that it is not necessary to calculate the fluid force on the surface of structure explicitly when solving the equations of motion of the structure. A two-dimensional channel flow divided by a Bernoulli-Euler beam is considered and the dynamic response of the beam under the influence of channel flow is studied. The Navier-Stokes equations are solved using a P2P1 Galerkin finite element method with ALE (Arbitrary Lagrangian-Eulerian) algorithm. The internal structural damping effect is not considered in this study and numerical results are compared with a previous work fer steady case. In addition to the Reynolds number, two non-dimensional parameters, which govern this fluid-structure system, are proposed. It is found that the larger the dynamic viscosity and density of the fluid are, the larger the damping of the beam is. Also, the added mass is found to be linearly proportional to the density of the fluid.
Kim, Mi-Ru;Lee, Seung-Jun;Jeong, Jae-Ho;Lee, Deug-Woo
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.17
no.4
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pp.39-46
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2018
Two surfaces that have relative motion show different characteristics according to surface roughness or surface patterns in all lubrication areas. For two rough surfaces with mixed lubrication, this paper proposes a new approach that includes the contact characteristics of the surfaces and a probabilistic method for a numerical analysis of lubrication. As the contact area of the two surfaces changes according to the loading conditions, asperity contact is very important. An average flow model developed by Patir-Cheng is central to the study of lubrication for rough surfaces. This average flow model also refers to a multi-asperity contact model for deriving a modified Reynolds equation and calculating the lubricant characteristics of a bearing surface with random roughness during fluid flow. Based on the average flow model, this paper carried out a numerical analysis of lubrication using a contact model by considering a load change made by the actual contact of asperities between two surfaces. Lubrication properties show different characteristics according to the surface patterns. This study modeled various geometric surface patterns and calculated the characteristics of lubrication.
An, Sung Chan;Lee, Sang Don;Son, Jung Ho;Cho, Yong Joo
Tribology and Lubricants
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v.32
no.4
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pp.132-139
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2016
The piston of a marine diesel engine works under severe conditions, including a combustion pressure of over 180 bar, high thermal load, and high speed. Therefore, the analyses of the fatigue strength, thermal load, clamping (bolting) system and lubrication performance are important in achieving a robust piston design. Designing the surface profile and the skirt ovality carefully is important to prevent severe wear and reduce frictional loss for engine efficiency. This study performs flexible multi-body dynamic and elasto-hydrodynamic (EHD) analyses using AVL/EXCITE/PU are performed to evaluate tribological characteristics. The numerical techniques employed to perform the EHD analysis are as follows: (1) averaged Reynolds equation considering the surface roughness; (2) Greenwood_Tripp model considering the solid_to_solid contact using the statistical values of the summit roughness; and (3) flow factor considering the surface topology. This study also compares two cases of skirt shapes with minimum oil film thickness, peak oil film pressure, asperity contact pressure, wear rate using the Archard model and friction power loss (i.e., frictional loss mean effective pressure (FMEP)). Accordingly, the study compares the calculated wear pattern with the field test result of the piston operating for 12,000h to verify the quantitative integrity of the numerical analysis. The results show that the selected profile and the piston skirt ovality reduce friction power loss and peak oil film pressure by 7% and 57%, respectively. They also increase the minimum oil film thickness by 34%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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