Shear stress acting on the arterial wall by blood flow is an important hemodynamic factor influencing blocking of blood vessel by thickening of an arterial wall. In order to study the effects of wall elasticity on the wall shear rate distribution in an artery-divergent graft anastomosis, a rigid and a elastic model are manufactured. These models are placed in a pulsatile flow loop, which can generate the desired flow waveform. Flow visualization method using a photochromic dye is used to measure the wall shear rate distribution. The accuracy of measuring technique is verified by comparing the measured wall shear rate in the straight portion of a model with the theoretical solution. Measured wall shear rates depend on the wall elasticity and flow waveform. The mean and maximum shear rate in the elastic model are lower than those in rigid model, and the decreases are more significant near the end of a divergent tube. The reduction of mean and maximum of wall shear rate in an elastic model are up to 17 percent.
When pipe components made of carbon steel in nuclear, fossil, and industry plants are exposed to flowing fluid, wall thinning caused by FAC(flow accelerated corrosion) can be generated and eventually ruptured at the position of pressure boundary. The aim of this study is to identify the locations at which local wall thinning occurs and to determine the turbulence coefficient related to local wall thinning. Experiment and numerical analyses for the tee sections of down scaled piping components were performed and the results were compared. In particular, flow visualization experiment which was used alkali metallic salt was performed to find actual location of local wall thinning inside tee components. In order to determine the relationship between turbulence coefficients and local wall thinning, numerical analyses were performed for tee components in the main feedwater systems. The turbulence coefficients based on the numerical analyses were compared with the local wall thinning based on the measured data. From the comparison of the results, the vertical flow velocity component(Vr) flowing to the wall after separating in the wall due to the geometrical configuration and colliding with the wall directly at an angle of some degree was analogous to the configuration of local wall thinning.
Blood flow simulations in an realistic carotid bifurcation model with considering wall compliance were carried out to investigate the effect of wall elasticity on the wall shear stress and wall solid stress. Canonical waveforms of flow rates and pressure in carotid arteries were imposed for boundary conditions. Compared to a rigid wall model, we found an increased recirculation region at the carotid bulb and an overall reduction of wall shear stress in a compliant model. Additionally, there was appreciable change of flow rate and pressure wave in longitudinal direction. Both solid and wall shear stress concentration occur at the bifurcation apex.
The motion of a small rigid particle in the shear flow near a stationary flat wall is investigated in the context of Stokes flow. The lift force proposed by Saffman and later modified by Mclaughlin and Mei is considered in the prediction of the particle motion far away from the wall. Later, the expression of the lift force is modified to take into account the effect of wall. In the analysis, gravity, lift and drag acting on a small rigid particle near the wall are taken into account. Both analytical and numerical results for the terminal velocities, distances from the wall and trajectories of the particle are presented. In addition, we extended the present analysis to turbulent near-wall flow in the vicinity of the wall.
Laminar flow over a cube near a plane wall is numerically investigated in order to understand the effects of the cube-wall gap on the flow characteristics as well as the drag and lift coefficients. The main focus is placed on the three-dimensional vortical structures and its relation to the lift force applied on the cube. Numerical simulations are performed for the Reynolds numbers between 100 and 300, covering several different flow regimes. Without a wall nearby, the flow at Re=100 is planar symmetric with no vortical structure in the wake. However, when the wall is located close to the cube, a pair of streamwise vortices is induced behind the cube. At Re=250, the wall strengthens the existing streamwise vortices and elongates them in the streamwise direction. As a result, the lift coefficients at Re=100 and 250 increase as the cube-wall gap decreases. On the other hand, without a wall, vortex shedding takes place at Re=300 in the form of a hairpin vortex whose strength changes in time. The head of hairpin vortex or loop vortex, which is closely related to the lift force, seems to disappear due to the nearby wall. Therefore, unlike at Re=100 and 250, the lift coefficient tends to decrease more or less as the cube approaches the wall.
Wall functions have been widely used in computational fluid dynamics (CFD) simulations and can save significant computational costs compared to other near-wall flow treatment strategies. However, most of the existing wall functions were based on the asymptotic characteristics of near-wall flow quantities, which are inapplicable in complex and non-equilibrium flows. A modified wall function is thus derived in this study based on flow over a plate at zero-pressure gradient, instead of on the basis of asymptotic formulations. Turbulent kinetic energy generation ($G_P$), dissipation rate (${\varepsilon}$) and shear stress (${\tau}_{\omega}$) are composed together as the near-wall expressions. Performances of the modified wall function combined with the nonlinear realizable k-${\varepsilon}$ turbulence model are investigated in homogeneous equilibrium atmosphere boundary layer (ABL) and flow around a 6 m cube. The computational results and associated comparisons to available full-scale measurements show a clear improvement over the standard wall function, especially in reproducing the boundary layer flow. It is demonstrated through the two case studies that the modified wall function is indeed adaptive and can yield accurate prediction results, in spite of its simplicity.
Direct numerical simulation of a fully developed turbulent plane Couette-Poiseuille flow with a two-dimensional (2-D) rod-roughened wall is performed to investigate the impacts of the surface roughness. It is shown that the logarithmic region in the mean velocity profile over the rough wall Couette-Poiseuille flow is significantly shortened by the surface roughness compared to that over a turbulent Couette-Poiseuille flow with smooth wall. The Reynolds shear stress over the rough wall Couette-Poiseuille flow is decreased compared to that for a smooth case in the outer layer. These results are attributed to weakened turbulence activity or roll-cell mode over the rough wall Couette-Poiseuille flow near the channel centerline due to suppressed development of u'-structure on the top wall, as documented through spanwise energy spectra of the streamwise velocity fluctuations. Inspection of congregation motion near the bottom wall and time evolution of u'-structure reveal weakened co-supporting cycle for the rough wall case.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제20권1호
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pp.37-50
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2016
A large eddy simulation (LES) of a turbulent channel flow is performed by using the third order low-storage Runge-Kutta method in time and second order finite difference formulation in space with staggered grid at a Reynolds number, $Re_{\tau}=590$ based on the channel half width, ${\delta}$ and wall shear velocity, $u_{\tau}$. To reduce the calculation cost of LES, algebraic wall model (AWM) is applied to approximate the near-wall region. The computation is performed in a domain of $2{\pi}{\delta}{\times}2{\delta}{\times}{\pi}{\delta}$ with $32{\times}20{\times}32$ grid points. Standard Smagorinsky model is used for subgrid-scale (SGS) modeling. Essential turbulence statistics of the flow field are computed and compared with Direct Numerical Simulation (DNS) data and LES data using no wall model. Agreements as well as discrepancies are discussed. The flow structures in the computed flow field have also been discussed and compared with LES data using no wall model.
The characteristics Prandt1-Meyer expansion of supersonic flow with condensation through a wavy wall in a channel are investigated by experiment and numerical direct marching method of characteristics. In the present study, for the case of moist air flow in the type of indraft supersonic wind tunnel, the dependency of location of formation and reflection of the oblique shock wave generated by the wavy wall and the distribution of flow properties, on the specific humidity and temperature at the entrance of wavy wall and the attack angle of the wavy wall to the main stream is clarified by schlieren photograph, distribution of static pressure and Mach number, and plots of numerical results. Also, we confirm that the wavy wall plays an important key role in the formation of oblique shock wave, and that the effect of condensation on the flow field appears apparently.
The potential of using a double-faced wall stagnation flow burner in mass production of carbon nanotubes was evaluated experimentally and computationally. With nitrogen-diluted premixed ethylene-air flames established on the Nickel-coated stainless steel double-faced wall, the propensities of carbon nanotube formation were experimentally determined using SEM and FE-TEM images and Raman spectroscopy, while the flame structure was computationally predicted using a 3-dimensional CFD code with a reduced reaction mechanism. The uniformity and yields of synthesized carbon nanotubes were evaluated in terms of the flame stretch rates. Results show substantial increase of area on the wall surface where uniform carbon nanotubes are synthesized with using the double-faced wall stagnation flow burner due to enhanced uniformity of temperature distribution along the wall surface and support the potential of using a double-faced wall stagnation flow burner in mass production of carbon nanotubes.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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