We investigated the Reynolds number effects on the flow over a twisted offshore structure in the range of 3×103≤ Re ≤ 1 × 104. To analyze the effect of the twisted surface treatment, a large eddy simulation (LES) with a dynamic subgrid model was employed. A simulation of the cylindrical structure was also carried out to compare the results with those of the twisted offshore structure. As Re increased, the mean drag and lift coefficient of the twisted offshore structure increased with the same tendency as those of the cylindrical structure. However, the increases in the mean drag and lift coefficient of the twisted offshore structure were much smaller than those of the cylindrical structure. Furthermore, elongated shear layer and suppressed vortex shedding from the twisted offshore structure occurred compared to those of the cylindrical cylinder, resulting in a drag reduction and suppression of the vortex-induced vibration (VIV). In particular, the twisted offshore structure achieved a significant reduction of over 96% in VIV compared with that of the cylindrical structure, regardless of increasing Re. As a result, we concluded that the twisted offshore structure effectively controlled the flow structures with reductions in the drag and VIV compared with the cylindrical structure, irrespective of increasing Re.
Kim, Shin-Woong;Lee, Seung-Jae;Park, Cheol-Young;Kang, Donghoon
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제8권4호
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pp.330-343
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2016
This paper presents results of an experimental investigation of vortex-induced vibration (VIV) of a flexibly mounted and rigid cylinder with two-degrees-of-freedom with respect to varying ratio of in-line natural frequency to cross-flow natural frequency, $f^*$, at a fixed low mass ratio. Combined in-line and cross-flow motion was observed in a sub-critical Reynolds number range. Three-dimensional displacement meter and tension meter were used to measure dynamic responses of the model. To validate the results and the experiment system, x and y response amplitudes and ratio of oscillation frequency to cross-flow natural frequency were compared with other experimental results. It has been found that the higher harmonics, such as third and more vibration components, can occur on a certain part of steel catenary riser under a condition of dual resonance mode. In the present work, however, due to the limitation of a size of circulating water channel, the whole test of a whole configuration of the riser at an adequate scale for VIV phenomenon was not able to be conducted. Instead, we have modeled a rigid cylinder and assumed that the cylinder is a part of steel catenary riser where the higher harmonic motions could occur. Through the experiment, we have found that even though the cylinder was assumed to be rigid, the occurrence of the higher harmonic motions was observed in a small reduced velocity ($V_r$) range, where the influence of the in-line response is relatively large. The transition of the vortex shedding mode from one to another was examined by using time history of x and y directional displacement over all experimental cases. We also observed the influence of in-line restoring force power spectral density with $f^*$.
The two-dimensional unsteady incompressible viscous flow behind rectangular bluff bodies between two parallel plates was analyzed numerically. The steady state flow and the vortex flow behind rectangular bluff bodies in the channel were investigated for two regimes i.e., the laminar(Re = 100, 300, 500) and the turbulent flows(Re = 10⁴∼10/sup 6/). The vortex shedding was generated by a physical disturbance(6%) numerically imposed at the rear of the bluff bodies for a short time. It was observed that the perturbed flow became periodic after a transient period. And in the case of unsteady inflow, the sinusoidal pulsatile flow was applied as the inlet condition in the turbulent flow of Reynolds number of 1.0×10/sup 5/. FLUENT code was employed to solve the problems. The power-law scheme was used to get stable linearized equations and the PISO algorithm was applied to finding the solution of them.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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한국소음진동공학회 2011년도 추계학술대회 논문집
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pp.711-716
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2011
Today, high-speed trains enjoy wide acceptance as fast, convenient and environment-friendly means of transportation. However, increase in the speed of the train entails a concomitant increase in the aerodynamic noise, adversely affecting the passenger comfort. At the train speed exceeding 300 km/h, the effects of turbulent flows and vortex sheddding are greatly amplified, contributing to a significant increase in the aerodynamic noise. Drawing a biomimetic analogy from low-noise flight of owl, a method to reduce aerodynamic noise at inter-coach space of high-speed trains is investigated. The proposed method attempts to achieve the noise reduction by modifying the turbulent flow and vortex shedding characteristics at the inter-coach space. To determine the aerodynamic noise at various train speeds, wind tunnel testing and numerical CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation for the basic inter-coach spacing model are carried out, and their results compared. The simulation and experimental results reveal that there are discrete frequency components associated with turbulent air flow at constant intervals in the frequency domain
The wind-resistant performance of bridges is generally evaluated based on the strip assumption. For the arch rib of arch bridges, the situation is different due to the curve axis and the variable cross-sectional size. In the construction stage, the arch rib supported by a cable system exhibits flexible dynamic characteristics, and the wind-resistant performance attracts specially attention. To evaluate the wind-induced vibration of an arch rib with the maximum cantilever state, the finite element model was established to compute the structural dynamic characteristics. Then, a three-dimensional (3D) fluid-solid coupling analysis method was realized. After verifying the reliability of the method based on a square column, the wind-induced vibration of the arch rib was computed. The vortex-induced vibration (VIV) performance of the arch rib was focused and the flow field characteristics were discussed to explain the VIV phenomenon. The results show that the arch rib with the maximum cantilever state had the possibility of VIV at high wind speeds but the galloping was not observed. The lock-in wind speeds were larger than the results based on the strip assumption. Due to the vibration of arch rib, the frequency of shedding vortices along the arch axis trended to be uniform.
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.
Proceedings of the Korean Society of Marine Engineers Conference
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한국마린엔지니어링학회 2005년도 전기학술대회논문집
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pp.1149-1154
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2005
The finite difference lattice Boltzmann method(FDLBM) is a quite recent approach for simulating fluid flow, which has been proven as a valid and efficient tool in a variety of complex flow problems. It is considered an attractive alternative to conventional FDM and FVM, because it recovers the Navier-Stokes equations and is computationally more stable, and easily parallelizable to simulate for various laminar flows and a direct simulation of aerodynamics sounds. However, the research of a numerical simulation of turbulent flow by FDLBM, which is important to analyze the structure of turbulent flow in engineering fields, is not carried out. In this research, the FDLBM built in the turbulent model is applied, and a flowfield around 2-dimensional square to validate the applied model with 2D9V is simulated. Besides, 2D computation of the cavity noise generated by flow over a cavity at a Mach number of 0.1 and a Reynolds number based on cavity depth of 5000 is calculated. The computation result is well presented a understanding of the physical phenomenon of tonal noise occurred primarily by well-jet shear layer and vortex shedding and an aeroacoustic feedback loop.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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제18권9호
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pp.952-960
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2008
Fan noise prediction method is presented for air conditioning, automobile and electronic cooling system applications where fan acts as an internal equipment having very complicated flow interaction with other various system components. The internal flow paths and distribution in the fan-applied systems such as computer or air conditioner are analyzed by using the FNM(flow network modeling). Fan noise prediction method comprises two models for the discrete frequency noise due to rotating steady aerodynamic lift and blade interaction and for the broadband noise due to turbulent boundary layer and wake vortex shedding. Based on the fan operation point predicted from the FNM analysis results and fan design parameters, the present far noise model predicts overall sound pressure level and spectrum. The predictions for the flow distribution, the fan operation and the noise level in air cooling system by the present method are well agreed with 3-D CFD and actual noise test results.
Numerical simulations are carried out for flow over a circular cylinder controlled by the momentum forcing which is generated by a pair of plasma actuators symmetrically mounted on the cylinder surface. A popular and empirical plasma model is used for the spatial distribution of momentum forcing. In this study, we consider two different types of actuation, i.e., steady and unsteady (or pulsed) actuation. In the unsteady actuation, the actuation is turned on and off periodically, its frequency being a control parameter. The objective of this study is to investigate the effects of actuator location and actuation frequency on the flow structures and the forces on the cylinder. Results show that the cylinder wake can be effectively controlled by proper actuator location. For example, when the actuators are located at $120^{\circ}$ from the stagnation point, vortex shedding is completely suppressed with the boundary layer almost fully attached to the surface, resulting in drag reduction and lift elimination.
An active flow control technique based on "smart-tabs" is proposed to delay flow separation on a circular cylinder. The actuators are retractable and orientable multilayer piezoelectric tabs which protrude perpendicularly from the model surface. They are mounted along the spanwise direction with constant spacing. The effectiveness of the control was tested in pre-critical and in post-critical regime by evaluating the effects of several control parameters of the tabs like frequency, amplitude, height, angular position and plate incidence with respect to the local flow. Measurements of the mean static pressure distribution around the cylinder were used to estimate the pressure drag coefficient. The maximum drag reduction achieved in the pre-critical regime was of the order of 30%, whereas in the post-critical regime was about 10%, 3% of which due to active forcing. Furthermore, pressure fluctuation measurements were performed and spectral analysis indicated an almost complete suppression of the vortex shedding in active forcing conditions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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