A curved channel duct is designed, built and used specifically to produce Dean vortices as a result of flow around a $180^{\circ}C$ curve. We present evidence using optical reflection of the existmace of the vortices in the curved section and following flat section. Also, three different feed soludons(DI water, a monodispersed styrene-divinyl-benzene latex particle suspension and a yeast suspension) were used to determine the effectiveness of Dean instabilities to destabilize polarization layers. For each suspension, the flux data were compared as a function of time for flow conditions with and without Dean vortices, for a $0.2{\mu}m$ microfiltration membrane. Any permeation flux improvement was not sustained for $2.0De_c$ due to the vortex-decay in the flat section after the curved channel, but a 15~30% permeation improvement was obtained for $3.8De_c$.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.17
no.3
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pp.47-55
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2013
Curved duct channel flow characteristics for non-Newtonian gel fluid is investigated. A simulant gel propellant mixed by Water, Carbopol 941 and NaOH solution has been chosen to analyze the gel propellant flow behavior. Rheological data have been measured prior to the flow analysis where water-gel propellant and water-gel propellant with $Al_2O_3$ nano particles are both used. The critical Dean number examined by the numerical simulation in the U-shape duct flow reveals that although water-gel-nano propellants have higher apparent viscosity, the critical Dean number do show no notable difference for both the two gel propellant. It is found that the power-law index may be a dominant parameter in determining the critical Dean number and that the gel with particles addition may be more vulnerable to Dean instability.
In the present study, a micro holographic PTV (HPTV) system was used to experimentally investigate the structure of 3D flow within a curved micro-tube with varying Dean number. The employed HPTV system incorporated a high-speed digital camera to measure the temporal evolution of the 3D velocity fields of micro-scale fluid flows. With increasing Dean number, flow in the curved tube is transformed from a steady flow to a secondary flow with two counter-rotating vortices. In this study, to analyze the 3D flow characteristics in the curved section of tube at a high Dean number, the trajectories of fluid particles were obtained experimentally using the whole 3D velocity field data obtained by the micro HPTV technique. The mean velocity field distribution was then obtained by ensemble averaging the instantaneous velocity fields. These results would be helpful in the design of various passages within micro-scale devices or micro-chips and in understanding the mixing phenomena that occur in curved conduits along the trajectories of fluid particles.
The present study investigated local pressure drop in a rotating smooth square duct with turning region. The duct has a hydraulic diameter $(D_h)$ of 26.7mm and a divider wall of 6.0mm or $0.225D_h$. The distance between the tip of the divider and the outer wall of the duct is $1.0D_h$. The Reynolds number (Re) based on the hydraulic diameter is kept constant at 10,000, and the rotation number (Ro) is varied from 0.0 to 0.20. The pressure coefficient distribution $(C_p)$, the friction factor (f) and the thermal performance $({\eta})$ are presented on the leading, the trailing and the outer surfaces. It is found that the curvature of the $180^{\circ}-turn$ produces Dean vortices that cause the high pressure drop in the turning region. The duct rotation results in the pressure coefficient discrepancy between the leading and trailing surfaces. That is, the high pressure values appear on the trailing surface in the first-pass and on the leading and side surfaces in the second-pass. As the rotation number increases, the pressure discrepancy enlarges. In the fuming region, a pair of the Dean vortices in the stationary case transform into one large asymmetric vortex cell, and then the pressure drop characteristics also change.
The effects of varing axial flow rate and solute concentration on the performance of both module sets made by different methods for active layer formation were compared and determined. All experiments were conducted simultaneously at the same transmembrane pressure and energy consumption per membrane area. In every comparative run between the presence of Dean vortices in a helical module and absence of such vortices in a linear module from the first module set, the solution fluxes and permeabilities were higher, and in some cases substantially higher for the vortex flow. With pure water, the permeabilities of both modules from the second module set were different and the flux in a linear module was 150% higher than in the helical module. This explained both module membranes were totally different.
Three-dimensional (3D) velocity field information of a laminar flow in a curved micro tube of circular cross-section has been measured using a digital micro holographic particle tracking velocimetry (HPTV). The temporal evolution of instantaneous velocity field of a water flow in a curved micro tube of $100\;{\mu}\;m$ and $300\;{\mu}\;m$ in inner diameter was obtained. The 3D mean velocity field distribution was obtained quantitatively by statistical-averaging of instantaneous velocity fields. At low Dean number (De), a secondary flow was not generated in the curved tube. With increasing Dean number, the secondary flow constituted of two large-scale counter-rotating vortices was formed due to enhanced centrifugal force. To reveal the flow characteristics of high Dean numbers, trajectories of fluid particles were evaluated experimentally from the 3D velocity fields data measured by the HPTV technique. The present experimental results, especially the 3D particle trajectories, would be helpful to design and to understand the mixing phenomena in 3D curved passages of various curved micro-tubes or micro-channels.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.2
s.245
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pp.126-135
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2006
The pressure drop characteristics in a rotating two-pass duct with rib turbulators are investigated in the present study. The square duct has a hydraulic diameter $(D_h)$ of 26.7 mm, and $1.5mm{\times}1.5mm$ square $90^{\circ}-rib$ turbulators are attached on the leading and trailing walls. The pitch-to-rib height ratio (p/e) is 10. The distance between the tip of the divider and the outer wall of the duct is $1.0D_h$ and the width of divider wall is 6.0mm or $0.225D_h$. The Reynolds number (Re) based on the hydraulic diameter is kept constant at 10,000 to exclude the Reynolds effect, and the rotation number (Ro) is varied from 0.0 to 0.20. The pressure drop distribution, the friction factor and thermal performance are presented for the leading, trailing and the outer surfaces. It is found that the curvature of the $180^{\circ}$-turn produces Dean vortices that cause high pressure drop in the turn. The channel rotation results in pressure drop discrepancy between leading and trailing surfaces so that non-dimensional pressure drops are higher on the trailing surface in the first-pass and on the leading and side surfaces in the second-pass. In the turning region, Dean vortices shown in the stationary case transform into one large asymmetric vortex cell, and subsequent pressure drop characteristics also change. As the rotation number increases, the pressure drop discrepancy enlarges.
Kim, Kyung-Min;Kim, Sang-In;Kim, Yun-Young;Rhee, Dong-Ho;Cho, Hyung-Hee
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.8
s.227
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pp.910-920
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2004
The heat/mass transfer characteristics in a rotating two-pass duct with and without rib turbulators are investigated in the present study. The square duct has a hydraulic diameter ($D_h$) of 26.7 mm, and $1.5\;mm{\times}1.5\;mm$ square $90^{\circ}$-rib turbulators are attached on the leading and trailing walls. The pitch-to-rib height ratio (p/e) is 10. The Reynolds number based on the hydraulic diameter is kept constant at 10,000 to exclude the Reynolds effect, and the rotation number is varied from 0.0 to 0.20. In the smooth duct, the curvature of the $180^{\circ}$-turn produces Dean vortices that enhance heat/mass transfer in the post-turn region. When rib turbulators are installed, heat/mass transfer is augmented 2.5 times higher than that of the smooth duct since the main flow is turbulated by reattaching and separating in the vicinity of the duct surfaces. The duct rotation results in heat/mass transfer discrepancy so that Sherwood number ratios are higher on the trailing surface in the first-pass and on the leading surface in the second-pass. In the turning region, Dean vortices shown in the stationary case transform into one large asymmetric vortex cell, and subsequent heat/mass transfer characteristics also change. As the rotation number increases, the heat/mass transfer discrepancy enlarges.
The performances of both module sets made by different methods for helical module were compared. All experiments were conducted simultaneously at the same transmembrane pressure and energy cosumption per membrane area. The effects of Dean vortices for reducing concentration polarization and fouling were low for the first module set. The increase of 115% for permeate flux improvement(permeate flux difference ${\times}100$/pemeate flux of linear module) was measured. The second module set was more effective in reducing concentration polarization and fouling.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.7
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pp.789-799
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2004
An experimental study is conducted to investigate the effects of duct corrugation angle on heat/mass transfer characteristics in wavy ducts of a primary surface heat exchanger application. Local heat/mass transfer coefficients on the wavy duct sidewalls are determined by using a naphthalene sublimation technique. The corrugation angles(${\alpha}$) of the wavy ducts are 145$^{\circ}$, 130$^{\circ}$, 115$^{\circ}$ and 100$^{\circ}$. And the Reynolds numbers based on the duct hydraulic diameter vary from 300 to 3,000. The results show that at the low Re(Re $\leq$1000), the secondary vortices called Taylor-Gortler vortices perpendicular to the main flow direction are generated due to effect of duct curvature. By these secondary vortices, high heat/mass transfer regions are formed on both pressure-side and suction-side walls. At the high Re(Re $\geq$ 1000), these secondary flows are vanished with helping flow transition to turbulent flow and the regions which show high heat/mass coefficients by flow reattachment are formed on suction side. As corrugation angle decreases, the local peak Sh induced by Taylor-Gortler vortices increase at Re $\leq$1000. At high Re(Re $\geq$ 1000), by the existence of different kind of secondary flows called Dean vortices, non-uniform Sh distribution appears along spanwise direction at the narrow corrugation angle (${\alpha}$=100$^{\circ}$). Average Sh also increase by the enhanced effect of secondary vortices and flow reattachment. More pumping power (pressure loss) is required with the smaller corrugation angle due to the enhancement of flow instability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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