In this study we decompose the 3-dimensional velocity field of isotropic turbulent flow into the coherent and the incoherent structure using the discrete wavelet. It is shown that the coherent structure, 3% wavelet modes, has 98% energy and 88% enstrophy and its statistical characteristics are almost same as the original turbulence structure. And it is confirmed that the role of the coherent structure is that it produces the turbulent kinetic energy at the inertia range then transfers energy to the dissipation range. The incoherent structure, with residual wavelet modes, is uncorrelated and has the Gaussian probability density function but it dissipates the kinetic energy in dissipation range. On the procedure, we propose a new but easy way to get the threshold by applying the energy partition percentage concept about coherent structure. The vorticity field extracted from the wavelet-decomposed velocity field has the same structure as the result of the precedent studies which decomposed vorticity field directly using wavelet. Therefore it has been shown that velocity and vorticity field are on the interactive condition.
An efficient time-domain numerical method for the analysis of broadband noise generation and propagation due to turbulence-cascade interaction is developed. The core algorithm of the present method is based on the B-periodicity of the acoustic response function of the flat-airfoil cascade to the ingesting gust (B denotes the number of airfoils in the cascade). To confirm this periodicity, gust-cascade interaction problem are solved by using the time-domain method, which shows that the incident gust with the circumferential mode number having the same remainders when divided by the airfoil number excites the same acoustic response of the cascade. Using the proposed fast algorithm with this periodicity, we show that the total computation time for the model broadband problem using the total 525 incident gust modes can be reduced to about 1/4 of that taken in using the previous time-domain program.
This study investigates the use of time-frequency coherence analysis for detecting and evaluating coherent "structures" of surface pressures and wind turbulence components, simultaneously on the time-frequency plane. The continuous wavelet transform-based coherence is employed in this time-frequency examination since it enables multi-resolution analysis of non-stationary signals. The wavelet coherence quantity is used to identify highly coherent "events" and the "coherent structure" of both wind turbulence components and surface pressures on rectangular prisms, which are measured experimentally. The study also examines, by proposing a "modified" complex Morlet wavelet function, the influence of the time-frequency resolution and wavelet parameters (i.e., central frequency and bandwidth) on the wavelet coherence of the surface pressures. It is found that the time-frequency resolution may significantly affect the accuracy of the time-frequency coherence; the selection of the central frequency in the modified complex Morlet wavelet is the key parameter for the time-frequency resolution analysis. Furthermore, the concepts of time-averaged wavelet coherence and wavelet coherence ridge are used to better investigate the time-frequency coherence, the coherently dominant events and the time-varying coherence distribution. Experimental data derived from physical measurements of turbulent flow and surface pressures on rectangular prisms with slenderness ratios B/D=1:1 and B/D=5:1, are analyzed.
The flow of non-rotation atmosphere with uniform stratification and wind past an isolated three dimensional topography obstacle is investigated with three-dimensional hydrostatic and non- hydrostatic numerical model. The characteristic of turbulence created the back of topography obstacle is usually defined by Froude number which is the function of upstream wind speed, the height of topography obstacle, and atmospheric stability. Turbulence tends to be formed more easily at the non-hydrostatic model than hydrostatic model. Especially, the difference between flow patterns of two models generated by isolated obstacle is more clear under low Froude number. The difference of flow patterns can be only seen at relatively low altitude, but at high altitude the patterns of two models are almost same. In this research, wind velocity in the parameters related with Froude number have great sensitivity at responsibility of numerical models. and slop of obstacle is also important factor at the flow pattern regardless of the species of numerical model
The overarching objective of this study is to predict the convective heat transfer around a human body under forced strong airflow conditions assuming a strong wind blowing through high-rise buildings or an air shower system in an enclosed space. In this study, computational fluid dynamics (CFD) analyses of the flow field and temperature distributions around a human body were carried out to estimate the convective heat transfer coefficient for a whole human body assuming adult male geometry under forced convective airflow conditions between 15 m/s and 25 m/s. A total of 45 CFD analyses were analyzed with boundary conditions that included differences in the air velocity, wind direction and turbulence intensity. In the case of approach air velocity $U_{in}=25m/s$ and turbulent intensity TI = 10%, average convective heat transfer coefficient was estimated at approximately $100W/m^2/K$ for the whole body, and strong dependence on air velocity and turbulence intensity was confirmed. Finally, the formula for the mean convective heat transfer coefficient as a function of approaching average velocity and turbulence intensity was approximated by using the concept of equivalent steady wind speed ($U_{eq}$).
The turbulent flow and vortex shedding phenomena around pantograph panhead of high speed train were investigated and compared with available experimental data and other simulations. The pantograph head was simplified to be a square-cross-section pillar and assumed to be no interference with other bodies. The Reynolds number (Re) was 22,000. The LES(large eddy simulation) of FDS code was applied to solve the momentum equations and the Wener-Wengle wall model was employed to solve the near wall turbulent flow. Smagorinsky model($C_s$=0.2) was used as SGS(subgrid scale) model. The total grid numbers were about 9 millions and the analyzed domain was divided into 12 multi blocks which were communicated with each other by MPI. The time-averaged mainstream flows were calculated and well compared with experimental data. The phased-averaged quantities had also a good agreement with experimental data. The near-wall turbulence should be carefully treated by wall function or direct resolution to get successful application of LES methods.
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.
The airflow characteristics of an air-conditioning duct with multiple diffusers were investigated through one-dimensional analysis, CFD simulation and experimental measurement. One-dimensional program based on Bernoulli's equation and minor loss equations was developed in order to evaluate the air distribution rate at each diffuser. In CFD simulation, three-dimensional flow characteristics inside air-conditioning duct were computed for incompressible viscous flow, adopting the RNG k-$\xi$turbulence model. Also, in an effort to equalize the discharge flow rate at each outlet, the optimization procedure has been performed to obtain the optimum diffuser area. In this process, square of difference between maximum discharge rate and minimum discharge rate is used as an object function. Diffuser area and discharge velocity are established as constraints. After optimization process, determined design variables are applied again in CFD simulation and experiment to validate the optimized result by one-dimensional program. Comparison with the experimental data of airflow rate distribution showed that the developed program seems to be acceptable and can be useful design tool for an automotive air-conditioning duct in an initial design stage.
Turbulence properties of a cylinder wake (d=10 mm) have been investigated with a new volume PTV algorithm. The measurement system consists of two-high-cameras(1 $k{\times}1$ k), a Nd-Yag laser and a host computer. A fitness function representing three-dimensional coherency has been adopted to sort out spurious vectors. A hybrid fitness function representing the relations between the fitness and the three-dimensional shortest distances constructed by the two collinears of the two cameras has been also adopted. The constructed algorithm has been employed for the measurements of the cylinder wakes. The Reynolds numbers tested in this paper are 360, 540, 720, 900, 1080 and 1260. More than 10,000 instantaneous 3D vectors have been obtained by the constructed system. The volumetric distributions of the turbulence intensities (for u', v', w') indicate that clearly different patterns for all Reynolds numbers and imply that a regular pattern (like a similarity rule) for the turbulent properties exists.
본 연구에서는 격자관군(in-line tube banks)과 엇갈림관군(staggered tube banks)에서의 유동특성을 해명하기 위한 기초로서, 일렬관군에 대해 유동특성을 통계적으로 조사한다. 이를 위해, 먼저 유동의 가시화와 관의 표면압력 측정실험이 행해진다. 또한, 통계적 기법의 도입을 통하여 관 주위의 평균속도, 난류강도, 파워 스펙트럼 밀도함수, 스트로홀수(strouhal number), 자기상관계수, 활률 밀도함수 등의 측정이 수행된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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