This paper investigated the influence of simple support girds on flow, irrespective of having mixing vanes, in a 1 × 3 array rod bundle by using CFD methodology and the most accurate turbulence model which could reflect the actual physics of the flow was determined. In this context, a CFD model was created simulating the experimental studies on a single-phase flow [1] and the results were compared with the experimental data. In the first part of the study, influence of mesh was examined. Tetra, hybrid and poly type meshes were analyzed and convergence study was carried out on each in order to determine the most appropriate type and density. k - ε Standard and RSM LPS turbulence models were used in this section. In the second part of the study, the most appropriate turbulence model that could reflect the physics of the actual flow was investigated. RANS based turbulence models were examined using the mesh that was determined in the first part. Velocity and turbulence intensity results obtained on the upstream and downstream of the spacer grid at -3dh, +3dh and +40dh locations were compared with the experimental data. In the last section of the study, the behavior of flow through the spacer grid was examined and its prominent aspects were highlighted on the most appropriate turbulence model determined in the second part. Results of the study revealed the importance of mesh type. Hybrid mesh having the largest number of structured elements performed remarkably better than the other two on results. While comparisons of numerical and experimental results showed an overall agreement within all turbulence models, RSM LPS presented better results than the others. Lastly, physical appearance of the flow through spacer grids revealed that springs has more influence on flow than dimples and induces transient flow behaviors. As a result, flow through a simple support grid was examined and the most appropriate turbulence model reflecting the actual physics of the flow was determined.
Kim, Joon-Hyung;Cho, Bo-Min;Kim, Youn-Sung;Choi, Young-Seok;Kim, Kwang-Yong;Kim, Jin-Hyuk;Cho, Yong
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.4
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pp.370-381
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2016
As a single-channel pump is used for wastewater treatment, this particular pump type can prevent performance reduction or damage caused by foreign substances. However, the design methods for single-channel pumps are different and more difficult than those for general pumps. In this study, a design optimization method to improve the hydrodynamic performance of a single-channel pump impeller is implemented. Numerical analysis was carried out by solving three-dimensional steady-state incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations using the shear stress transport turbulence model. As a state-of-the-art impeller design method, two design variables related to controlling the internal cross-sectional flow area of a single-channel pump impeller were selected for optimization. Efficiency was used as the objective function and was numerically assessed at twelve design points selected by Latin hypercube sampling in the design space. An optimization process based on a radial basis neural network model was conducted systematically, and the performance of the optimum model was finally evaluated through an experimental test. Consequently, the optimum model showed improved performance compared with the base model, and the unstable flow components previously observed in the base model were suppressed remarkably well.
Computational flow dynamics(CFD) has been frequently applied to the waste incinerators to understand the flow performance for various design and operating parameters. Though it needs many simplifications and complicated flow models, the reasonability of its results is not fully evaluated. For example, the inlet condition is calculated from an arbitrarily assumed properties of combustion gas release from the waste bed, since the combustion in the bed is difficult to be predicted. In this study, the computational modeling and calculation procedures of CFD for the grate type waste incinerator were evaluated using comparative simulations. Though the assumption method on the generation of the combustion gas directly affected the temperature and gas species concentrations, the overall flow pattern was dominated by the secondary air jets. The gaseous reaction could be included by assuming the release of the products of incomplete combusion from the bed. However, the reaction effficiency cannot not be directly evaluated from the species concentration, since it is not possible to simulate the actual co-existence of fuel rich or oxygen rich puffs over the bed. In predicting the turbulence, the higher order model, such as Reynolds stress model, gave difference shape of local recirculation zones, but similar results was acquired from the standard $k-{\varepsilon}$ model. Introducing radiation model was required for accurate temperature prediction, but it also caused heat imbalance due to the fixed temperature of the inlet, i.e. the waste bed. Thus, the computational modeling procedures on incinerators and the analysis of the predicted results should be progressed carefully. Though not validated experimentally, current simulation method is capable of comparative evaluation on the flow-related parameters such as the furnace shape and secondary air injection using identical inlet conditions. Quantitative analysis using measures of the residence time and mixing is essential to compare the flow performance efficiently.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.9
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pp.1788-1795
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1992
Numerical simulations have been performed to investigate various spectral estimators used in LDV signal processing. In order to simulate a particle arrival time statistics known as the doubly stochastic poisson process, an autoregressive vector model was adopted to construct a primary velocity field. The conditional Poisson process with a random rate parameter was generated through the rescaling time process using the mean value function. The direct transform based on random sampling sequences and the standard periodogram using periodically resampled data by the sample and hold interpolation were applied to obtain power spectral density functions. For low turbulent intensity flows, the direct transform with a constant Poisson intensity is in good agreement with the theoretical spectrum. The periodogram using the sample and hold sequences is better than the direct transform in the view of the stability and the weighting of the velocity bias for high data density flows. The high Reynolds stress and high fluctuation of the transverse velocity component affects the velocity bias which increases the distortion of spectral components in the direct transform.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.19
no.1
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pp.81-96
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2007
Nonlinear shoaling characteristics over surf zone are numerically investigated based on spatially averaged NavierStokes equation. We also test the validity of gradient model for turbulent stresses due to wave breaking using the data acquainted during SUPERTANK LABORATORY DATA COLLECTION PROJECT(Krauss et al., 1992). It turns out that the characteristics length scale of breaking induced current is not negligible, which firmly stands against ever popular gradient model, ${\kappa}-{\varepsilon}$ model, but favors Large Eddy Simulation with finer grid. Based on these observations, we model the residual stress of spatially averaged NavierStokes equation after Lagrangian Dynamic Smagorinsky(Meneveau et al., 1996). We numerically integrate newly proposed wave equations using SPH with Gaussian kernel function. Severely deformed water surface profile, free falling water particle, queuing splash after landing of water particle on the free surface and wave finger due to structured vortex on rear side of wave crest(Narayanaswamy and Dalrymple, 2002) are successfully duplicated in the numerical simulation of wave propagation over uniform slope beach, which so far have been regarded very difficult features to mimic in the computational fluid mechanics.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.32
no.1
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pp.17-25
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2020
In this study, three-dimensional fluid flow analyses have been performed in order to investigate the performance characteristics of a horizontal axis tidal turbine (HATT) by solving three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations utilizing the shear-stress-transport turbulence model. The computational domain for the flow analysis has been composed of hexahedral grids, and the grid dependency test has been carried out so as to determine the optimum grid size. Performance characteristics of the HATT have been investigated in consideration of the effects of hub nose geometry, inflow angle, and the tower. It has been found that the power output can be enhanced along with an increase of the ratio of the length to the diameter of the turbine nose, and the power of HATT has been reduced by approximately 10% when the primary fluid flow had an inflow angle of 15°. The power output of downstream HATT is found to be lower than that of the upstream HATT by about 1%.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.24
no.1
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pp.23-28
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2012
In the present work, numerical analyses of air flow in HVAC duct have been carried out for enhancement of cooling/heating performance. For the analyses, three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations have been solved with the shear stress transport turbulence model. The numerical results were validated in comparison with the experimental data. Based on the numerical results, the HVAC duct was designed to reduce the pressure loss. The modified duct geometry shows largely reduced pressure drop in comparison with the reference geometry. And, through modified duct shape, the performance of air conditioning has been enhanced.
A numerical procedure for optimizing the shape of three-dimensional channel with V-shaped ribs extruded on both walls has been carried out to enhance the turbulent heat transfer. The response surface based optimization is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Wavier-stoked analysis. Shear stress transport (SST) turbulence model is used as a turbulence closure. Computational results for average heat transfer rate show good agreements with experimental data. The objective function is defined as a linear combination of heat transfer and friction loss-related terms with a weighting factor. Three dimensionless variables such as, rib pitch-to-rib height ratio, rib height-to-channel height ratio, and the attack angle of the rib are chosen as design variables. Nineteen training points obtained by D-optimal designs for three design variables construct a reliable response surface. In the sensitivity analysis, it is found that the objective function is most sensitive to the ratio of rib height-to-channel height ratio. And, optimal values of design variables have been obtained in a range of the weighting factor.
Aerodynamic characteristics depending on the shape of an internal motor in a small-size sirocco fan for residential ventilation have been investigated. For the aerodynamic analyses of the sirocco fan, three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved with the shear stress transport model for turbulence closure. The flow analyses are performed on hexahedral grids using a finite-volume solver. The validation of the numerical results at steady-state is performed by comparing with experimental data for the pressure and efficiency. In order to investigate the aerodynamic characteristics depending on shape of an internal motor in a sirocco fan, the reference shape is analyzed compared to the case without internal motor. Additionally, two shape parameters, height and width of the internal motor in a sirocco fan, are tested to investigate their effects on the aerodynamic characteristics. The results show that the shape of the internal motor in a sirocco fan is an important factor to improve the aerodynamic performances.
Tian, Wenlong;Song, Baowei;VanZwieten, James H.;Pyakurel, Parakram;Li, Yanjun
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.8
no.1
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pp.73-82
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2016
In order to extend the operational life of Underwater Moored Platforms (UMPs), a horizontal axis water turbine is designed to supply energy for the UMPs. The turbine, equipped with controllable blades, can be opened to generate power and charge the UMPs in moored state. Three-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are performed to study the characteristics of power, thrust and the wake of the turbine. Particularly, the effect of the installation position of the turbine is considered. Simulations are based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and the shear stress transport ${\kappa}-{\omega}$ turbulent model is utilized. The numerical method is validated using existing experimental data. The simulation results show that this turbine has a maximum power coefficient of 0.327 when the turbine is installed near the tail of the UMP. The flow structure near the blade and in the wake are also discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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