In this work a multi-fidelity non-intrusive polynomial chaos (MF-NIPC) has been applied to a structural wind engineering problem in architectural design for the first time. In architectural design it is important to design structures that are safe in a range of wind directions and speeds. For this reason, the computational models used to design buildings and bridges must account for the uncertainties associated with the interaction between the structure and wind. In order to use the numerical simulations for the design, the numerical models must be validated by experi-mental data, and uncertainties contained in the experiments should also be taken into account. Uncertainty Quantifi-cation has been increasingly used for CFD simulations to consider such uncertainties. Typically, CFD simulations are computationally expensive, motivating the increased interest in multi-fidelity methods due to their ability to lev-erage limited data sets of high-fidelity data with evaluations of more computationally inexpensive models. Previous-ly, the multi-fidelity framework has been applied to CFD simulations for the purposes of optimization, rather than for the statistical assessment of candidate design. In this paper MF-NIPC method is applied to flow around a rectan-gular 5:1 cylinder, which has been thoroughly investigated for architectural design. The purpose of UQ is validation of numerical simulation results with experimental data, therefore the radius of curvature of the rectangular cylinder corners and the angle of attack are considered to be random variables, which are known to contain uncertainties when wind tunnel tests are carried out. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are solved by a solver that employs the Finite Element Method (FEM) for two turbulence modeling approaches of the incompressible Navier-Stokes equations: Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (URANS) and the Large Eddy simulation (LES). The results of the uncertainty analysis with CFD are compared to experimental data in terms of time-averaged pressure coefficients and bulk parameters. In addition, the accuracy and efficiency of the multi-fidelity framework is demonstrated through a comparison with the results of the high-fidelity model.
Thermoacoustic oscillations (TAOs) could be often observed in liquid helium cryogenic system especially in half-open tubes. These tubes have closed warm end (300K) and open cold end (usually 4.4K). This phenomenon significantly induces additional heat load to cryogenic system and other undesirable effects. This work focuses on using computational fluid dynamics (CFD) method to study TAOs in liquid helium. The calculated physical model, numerical scheme and algorithm, and wall boundary conditions were introduced. The simulation results of onset process of thermoacoustic oscillations were presented and analyzed. In addition, other important characteristics including phase relation and frequency were studied. Moreover, comparisons between experiments and the CFD simulations were made, which demonstrated thevalidity of CFD simulation. CFD simulation can give us a better understanding of onset mechanism of TAOs and nonlinear characteristics in liquid helium cryogenic system.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.1
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pp.30-45
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2013
The present work focuses on the unsteady aerodynamics and aeroelastic properties of a small-medium sized wind-turbine blade operating under ideal conditions. A tapered/twisted blade representative of commercial blades used in an experiment setup at the National Renewable Energy Laboratory is considered. The aerodynamic loads are computed using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. For this purpose, FLUENT$^{(R)}$, a commercial finite-volume code that solves the Navier-Stokes and the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, is used. Turbulence effects in the 2D simulations are modeled using the Wilcox k-w model for validation of the CFD approach. For the 3D aerodynamic simulations, in a first approximation, and considering that the intent is to present a methodology and workflow philosophy more than highly accurate turbulent simulations, the unsteady laminar Navier-Stokes equations were used to determine the unsteady loads acting on the blades. Five different blade pitch angles were considered and their aerodynamic performance compared. The structural dynamics of the flexible wind-turbine blade undergoing significant elastic displacements has been described by a nonlinear flap-lag-torsion slender-beam differential model. The aerodynamic quasi-steady forcing terms needed for the aeroelastic governing equations have been predicted through a strip-theory based on a simple 2D model, and the pertinent aerodynamic coefficients and the distribution over the blade span of the induced velocity derived using CFD. The resulting unsteady hub loads are achieved by a first space integration of the aeroelastic equations by applying the Galerkin's approach and by a time integration using a harmonic balance scheme. Comparison among two- and three- dimensional computations for the unsteady aerodynamic load, the flap, lag and torsional deflections, forces and moments are presented in the paper. Results, discussions and pertinent conclusions are outlined.
The aim of this work is to investigate the effect of atmospheric stability on near-field pollutant dispersion from rooftop emissions of a single cubic building using computational fluid dynamics (CFD). This paper used the shear stress transport (here after SST) k-${\omega}$ model for predicting the flow and pollutant dispersion around an isolated cubic building. CFD simulations were performed with two emission rates and six atmospheric stability conditions. The results of the simulations were compared with the data from wind tunnel experiments and the result of simulations obtained by previous studies in neutral atmospheric condition. The results indicate that the reattachment length on the roof ($X_R$) obtained by computations show good agreement with the experimental results. However, the reattachment length of the rooftop of the building ($X_F$) is greatly overestimated compared to the findings of wind tunnel test. The result also shows that the general distribution of dimensionless concentration given by SST k-${\omega}$ at the side and leeward wall surfaces is similar to that of the experiment. In unstable conditions, the length of the rooftop cavity was decreased. In stable conditions, the horizontal velocity in the lower part around the building was increased and the vertical velocity around the building was decreased. Stratification increased the horizontal cavity length and width near surface and unstable stratification decreased the horizontal cavity length and width near surface. Maintained stability increases the lateral spread of the plume on the leeward surface. The concentration levels close to the ground's surface under stable conditions were higher than under unstable and neutral conditions.
Choi, Young Jae;Wie, Seong-Yong;Yoon, Byung Il;Kim, Do-Hyung
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.49
no.5
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pp.399-405
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2021
In the present study, ground tests and CFD simulations for a ducted fan system were performed to verify the hovering performance of the ducted fan system designed by KARI rotorcraft team. Six blades were composed for the ducted fan, and target rotating speed of the fan was decided to 4,000 RPM. Collective pitch angles were considered from 20 degrees to 36 degrees. The test data were obtained by increasing the rotating speed up to 4,000 RPM in 1,000 RPM increments. The CFD simulations were considered only 4,000 RPM of rotating speed. The hovering performance was represented by thrust, power, duct thrust ratio, and FM(Figure of Merit). Reliability of the performance results was ensured through the test and simulation results, and it was found that the target performance was achieved under conditions above 31 degrees of the pitch angle.
The aim of this paper is to enhance the accuracy of predicting time-averaged external surface pressures on low-rise buildings by utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. To achieve this, benchmark studies of the Silsoe cube and the Texas Tech University (TTU) experimental building are employed for comparison with simulation results. The paper is structured into three main sections. In the initial part, an appropriate domain size is selected based on the precision of mean pressure coefficients on the windward face of the cube, utilizing Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models. Subsequently, recommendations regarding the optimal computational domain size for an isolated building are provided based on revised findings. Moving on to the second part, the Silsoe cube model is examined within a horizontally homogeneous computational domain using more accurate turbulence models, such as Large Eddy Simulation (LES) and hybrid RANS-LES models. For computational efficiency, transient simulation settings are employed, building upon previous studies by the authors at the Windstorm Impact, Science, and Engineering (WISE) Lab, Louisiana State University (LSU). An optimal meshing strategy is determined for LES based on a grid convergence study. Three hybrid RANS-LES cases are investigated to achieve desired enhancements in the distribution of mean pressure coefficients on the Silsoe cube. In the final part, a 1:10 scale model of the TTU building is studied, incorporating the insights gained from the second part. The generated flow characteristics, including vertical profiles of mean velocity, turbulence intensity, and velocity spectra (small and large eddies), exhibit good agreement with full-scale (TTU) measurements. The results indicate promising roof pressures achieved through the careful consideration of meshing strategy, time step, domain size, inflow turbulence, near-wall treatment, and turbulence models. Moreover, this paper demonstrates an improvement in mean roof pressures compared to other state-of-the-art studies, thus highlighting the significance of CFD simulations in building aerodynamics.
Lead-alloys are very attractive nuclear coolants due to their thermo-hydraulic, chemical, and neutronic properties. By utilizing the HELIOS (Heavy Eutectic liquid metal Loop for Integral test of Operability and Safety of PEACER$^2$) facility, a thermal hydraulic benchmarking study has been conducted for the prediction of pressure loss in lead-alloy cooled advanced nuclear energy systems (LACANES). The loop has several complex components that cannot be readily characterized with available pressure loss correlations. Among these components is the core, composed of a vessel, a barrel, heaters separated by complex spacers, and the plenum. Due to the complex shape of the core, its pressure loss is comparable to that of the rest of the loop. Detailed CFD simulations employing different CFD codes are used to determine the pressure loss, and it is found that the spacers contribute to nearly 90 percent of the total pressure loss. In the system codes, spacers are usually accounted for; however, due to the lack of correlations for the exact spacer geometry, the accuracy of models relies strongly on assumptions used for modeling spacers. CFD can be used to determine an appropriate correlation. However, application of CFD also requires careful choice of turbulence models and numerical meshes, which are selected based on extensive experience with liquid metal flow simulations for the KALLA lab. In this paper consistent results of CFX and Star-CD are obtained and compared to measured data. Measured data of the pressure loss of the core are obtained with a differential pressure transducer located between the core inlet and outlet at a flow rate of 13.57kg/s.
Computational methods can be classified roughly into two parts: one is the methods based on a potential flow theory, and the other is numerical solvers(CFD) based on Navier-Stockes equation. Methods based on a potential theory are more effective than CFD when the free surface effect is considered. Especially Rankine source method seems to become widespread for simulations of wave making problems. For computations of viscous flow problems, CFD techniques have rapidly been developed and have shown many successful results in the viscous flow calculation. Present paper introduces a computational system 'WAVIS' which includes a pre-processor, potential ant viscous flow solvers and a post-processor. To validate the system, the calculated results for modem commercial hull forms are compared with measurements. It is found that the results from the system are in good agreement with the experimental data, illustrating the accuracy of the numerical methods employed for WAVIS.
Environmental Sciences Bulletin of The Korean Environmental Sciences Society
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v.4
no.2
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pp.117-125
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2000
A series of simulations were carried out to test the accuracy of a CFD (Computational Fluid Dynamics) model for flow and dispersion problems around buildings. The basic equations involved are Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Two different cases were selected to estimate the accuracy of a CFD model. Case 1 adopted Euler equations, which are obtained by neglecting the viscous fluxes, which can be closed by the $textsc{k}$-$\varepsilon$model for a turbulent close problem. The results of both cases were compared with wind tunnel data. The results for Case 2 were closer to the wind both cases were compared with wind tunnel data. The results for Case 2 were closer to the wind tunnel data than Case 1. Accordingly, this indicates that the inclusion of viscous fluxes in a CFD model is required for the simulation of flow and 야spersion around buildings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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