A dependence of weighting parameter in preconditioning method for solving low Mach number flow with incompressible flow nature is investigated. The present preconditioning method employs a finite-difference method applied Roe‘s flux difference splitting approximation with the MUSCL-TVD scheme and 4th-order Runge-Kutta method in curvilinear coordinates. From the computational results of benchmark flows through a 2-D backward-facing step duct it is confirmed that there exists a suitable value of the weighting parameter for accurate and stable computation. A useful method to determine the weighting parameter is introduced. With this method, high accuracy and stable computational results were obtained for the flow with low Mach number in the range of Mach number less than 0.3.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.8
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pp.2051-2063
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1995
An improved version of nonlinear low-Reynolds-number k-.epsilon. model is developed. In this model, the limiting near-wall behavior and nonlinear Reynolds stress representations are incorporated. Emphasis is placed on the adoption of Ry(.iden. $k^{1}$2/y/.nu.) instead of $y^{[-10]}$ (.iden. $u_{{\tau}/y/{\nu}}$) in the low-Reynolds-number model for predicting turbulent separated and reattaching flows. The non-equilibrium effect is examined to describe recirculating flows away from the wall. The present model is validated by doing the benchmark problem of turbulent flow behind a backward-facing step. The predictions of the present model are cross-checked with the existing measurements and DNS data. The model performance is shown to be generally satisfactory.
Effects of the subgrid length-scale in the Delayed-Detached Eddy Simulation(DDES) are investigated based on the Spalart-Allmaras(S-A) and the k-$\omega$ Shear Stress Transport(SST) turbulence models. Driver & Seegmiller's experimental results are used to validate numerical results. Grid convergence with grid resolution and subgrid length-scale is investigated. The simulation results show that the volume method for the subgrid length-scale is more resistant to unfavorable effects of the grid size in the periodic direction than the maximum method. Using a sufficient grid resolution and an appropriate subgrid length-scale, both S-A based DDES and SST based DDES methods can provide a good correlation with the experimental data.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.5
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pp.1253-1261
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1993
Numerical analysis and measurements of the velocity and temperature distributions in buoyancy assisting laminar mixed convection flow over a vertically located, two-dimensional backward-facing step are reported. Laser-Doppler Velocimeter and Constant Temperature Anemometer operated in constant current were used to measure simultaneously the velocity and temperature distributions in the recirculation region downstream of the step. The reattachment length was measured by using flow visualization technique for different inlet velocities, wall temperatures and step heights. While the reattachment length $X_r$ increases as the inlet velocity or step height increase, it decreases as the buoyancy force increases, causing the size of the recirculation region to decrease. For the experimental range of $Gr_s$/$Re_{s}^{2}$$\times$$10^3$<17, a correlation equation for the reattachment length can be given by $X_{r}=1.05(2.13+0.021 Re_{s})exp$$(-33.7_s^{-0.186}/Gr_{s}/Re_{s}^2).$ The Nusselt number is found to increase and the location of its maximum value moves closer to the step as the buoyancy force increases. The location of the maximum Nusselt number occurs downstream of the reattachment point, and distance between the reattachment point and the location of the maximum Nusselt mumber increases as the buoyancy force increases. Computational prediction agrees favorably well with measured results.
The resistance reduction by an air lubrication effect of a large air cavity covering the hull bottom surface and the similarity relations involved have been investigated with a series of towing tank tests of three geometrically similar models. The test results of geometrically similar models have indicated that a large air cavity was formed beneath the bottom having a backward-facing step by artificially supplying air is effective for resistance reduction. The areas of air cavity and the required flow rates of air are directly related to the effective wetted surface area. The traditional extrapolation methods seem to be applicable to the estimation of the resistance in the tested range if corrections are made to account the changes in the frictional resistance caused by the changes in the effective wetted surface area. To investigate the effectiveness of air lubrication in improving the resistance performance of a practical ship, a small test boat having a backward-facing step under its bottom has been manufactured and speed trials in a river have been performed. Air has been supplied artificially into the downstream region of the bottom step to form a large air cavity covering the bottom surface. The results have confirmed the practical applicability of air lubrication for the resistance reduction of a small high-speed boat.
We propose a wall distance free one-equation turbulence model. The model is organized in an extremely simple form. Only a few model constants were introduced into the model. The model is numerically tough and easy-of-use. The model also demonstrated the ability to simulate the laminar to turbulent flow transition. The model has been applied to the channel flow, the plane jet, the backward facing step flow, the flat plate boundary layer, as well as the flow around the 2D airfoil at large angles of attack, which obtained satisfactory results.
The backward-facing step (BFS) is a benchmark geometry for analyzing flow separation occurred at the edge and resulting development of shear layer and recirculation zone that are occupied by turbulent flow. It is important to accurately reproduce and analyze the mean flow and turbulence statistics of such flows to design physically stable and performance assurance structure. We carried out 3D RANS computations with widely used, two representative turbulence models, k-ω SST and RNG k-ε, to reproduce BFS flow at the Reynolds number of 23,000 and the Froude number of 0.22. The performance of RANS computations is evaluated by comparing numerical results with an experimental measurement. Both RANS computations with two turbulence models appear to reasonably well reproduce mean flow in the shear layer and recirculation zone, while RNG k-ε computation results in about 5% larger velocity between the outer edge of boundary layer and the free surface above the recirculation zone than k-ω SST computation and experiment. Both turbulence models underestimate the shear stress distribution experimentally observed just downstream of the sharp edge of BFS, while shear stresses computed in the boundary layer downstream of reattachment point are agree reasonably well with experimental measurement. RNG k-ε modeling reproduces better shear stress distribution along the bottom boundary layer, but overestimates shear shear stress in the approaching boundary layer and above the bottom boundary layer downstream of the BFS.
Separated flows passed complex geometries are modeled by discrete vortex techniques. The flows are assumed to be rotational and inviscid, and a new techlnique is described to determine the stream functions for linear shear profiles. The geometries considered are the snow cornice and the backward-facing step, whose edges allow for the separation of the flow and reattachment downstream of the recirculation regions. A point vortex has been added to the flows in order to constrain the separation points to be located at the edges, while the conformal mappings have been modified in order to smooth the sharp edges and to let the separation points free to oscillate around the points of maximum curvature. Unsteadiness is imposed to the flow by perturbing the vortex location, either by displacing the vortex from the equilibrium, or by imposing a random perturbation with zero mean to the vortex in equilibrium. The trajectories of passive scalars continuously released upwind of the separation point and trapped by the recirculating bubble are numerically integrated, and concentration time series are calculated at fixed locations downwind of the reattachment points. This model proves to be capable of reproducing the trapping and intermittent release of scalars, in agreement with the simulation of the flow passed a snow cornice performed by a discrete multi-vortex model, as well as with direct numerical simulations of the flow passed a backward-facing step. The results of simulation indicate that for flows undergoing separation and reattachment the unsteadiness of the recirculating bubble is the main mechanism responsible for the intense large-scale concentration fluctuations downstream.
A kinetic theory analysis is used to study the ultra-thin gas flow field in gas bearings. The Boltzmann equation simplified by a collision model is solved by means of a finite difference approximation with the discrete ordinate method. Calculations are made for flows inside micro-channels of backward-facing step, forward-facing step, and slider bearings. The results are compared well with those from the DSMC method. The present method does not suffer from statistical noise which is common in particle based methods and requires less computational effort.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.5
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pp.999-1011
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1989
A consideration on the trubulence models for describing the redeveloping turbulent boundary layer beyond separation-reattachment in the flow over a backward-facing step is given through experimental and numerical studies. By considering the blance among the measured values of respective terms in the transport equations for the turbulent kinetic energy and the turbulent shear stress, the recovering process of the redeveloping boundary layer from non-equilibrium to equilibrium has been investigated, which takes place slowly over a substantial distance in the downstream direction. In the numerical study, the standard K-.epsilon. model and the Reynolds stress model have been applied to two kinds of flow regions, one for the entire downstream region after the backward-facing step and another for the downstream region after reattachment. Then the results are compared to a meaningful extent, with the experimental values of the turbulent kinetic energy k, the turbulent energy production term P, the dissipation term K-.epsilon. model, a necessity for a new modelling has been brought forward, which can be also applied to the case of the nonequlibrium turbulent flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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