This study investigated the effect of variation in the angle of the elliptic cylinder as well as the presence of circular cylinder on natural convection inside a square enclosure. The Rayleigh number was varied between $10^3$ and $10^6$, and the Prandtl number was fixed to 0.7. In the present study, the angle of the elliptic cylinder was changed from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$, and the perimeter of the elliptic cylinder was same as that of the circular cylinder. The immersed boundary method was used to capture the virtual wall boundary of the inner cylinder. With the increasing angle of the elliptic cylinder, the surface-averaged Nusselt numbers on the cylinder and the enclosure increased. In the Rayleigh number range considered in the present study, the surface-averaged Nusselt number on the elliptic cylinder over = $45^{\circ}$ was higher than that of the circular cylinder. The effect of elliptic cylinder's angle on natural convection in the enclosure was analyzed according to the flow and thermal fields, and the distributions of the Nusselt number.
Flow characteristics and aerodynamic forces acting on an elliptic cylinder placed in a plane boundary layer were investigated experimentally. Four cylinder models with axis ratio(major axis to minor axis, AR=A/B) of 1, 2, 3, and 4 having the same equivalent diameter were used in this experiment. The Reynolds number based on the equivalent diameter $D_e$(=20mm) was 13,000. In the case of circular cylinder, regular vortex shedding occurs for the cylinder gaps larger than G/B=0.3 and is not almost related to the boundary layer thickness. But, for the elliptic cylinders, the vortex shedding frequency is increased with increasing the gap ratio (G/B) and the axis ratio (AR) of elliptic cylinders. The maximum drag coefficient acting on a circular cylinder is mainly affected by the boundary layer thickness. But, the elliptic cylinders(AR$\geq$2), except for the smaller gap G/B<0.2, show a nearly constant drag coefficient which is much smaller than that of a circular cylinder. The base pressure on the flat plate decreases with increasing the axis ratio(AR) of the elliptic cylinder. In the case of a circular cylinder, the base pressure has the minimum value at the gap ratio G/B=0.4, but it occurs at G/D=2 for elliptic cylinders. The mean velocity of the cylinder wake is quickly recovered at a small cylinder height ratio(H/$\delta$), but the turbulent intensity is rapidly recovered at a large cylinder height ratio(H/$\delta$). The effective wake region in the plane boundary layer is shrinkaged with increasing the axis ratio(AR) of elliptic cylinder. And the drag coefficient and streamwise turbulent intensity of the elliptic cylinder with AR=4 are less than half of those for the circular cylinder(AR=1).
A parametric study has been accomplished to figure out the effects of elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number on the unsteady lift and drag forces exerted on the elliptic cylinder. A two-dimensional incompressible Navier-Stokes flow solver is developed based on the SIMPLER method in the body-intrinsic coordinates system to analyze the unsteady viscous flow over elliptic cylinder. Thickness-to-chord ratios of 0.2, 0.4, and 0.6 elliptic cylinders are simulated at different Reynolds numbers of 400 and 600, and angles of attack of $10^{\circ},\;20^{\circ},\;and\;30^{\circ}$. Through this study, it is observed that the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number are very important parameters to decide the lift and drag forces. All these parameters also affect significantly the frequencies of the unsteady force oscillations.
The flow fields around an elliptic cylinder of axis ratio AR=2 adjacent to a free surface were investigated experimentally using a water channel. The main objective is to understand the effect of the free surface on the flow structure in the near-wake. The flow fields were measured by varying the depth of cylinder submergence, for each experimental condition, 350 velocity fields were measured using a single-frame PIV system and ensemble-averaged to obtain the spatial distribution of turbulent statics. For small submergence depths a large-scale eddy structure was observed in the near-wake, causing a reverse flow near the free surface, downstream of the cylinder. As the depth of cylinder submergence was increased, the flow speed in the gap region between the upper surface of the cylinder and the free surface increased and formed a substantial jet flow. The general flow structure of the elliptic cylinder is similar to previous results for a circular cylinder submerged near to a free surface. However, the width of the wake and the angle of downward deflection of the shear layer developed from the lower surface of the elliptic cylinder are smaller tan those for a circular cylinder.
Turbulent boundary layer over a flat plate was disturbed by installing an elliptic cylinder with an axis ratio of AR=2. For comparison, the same experiment was carried out for a circular cylinder having the same vertical height. The surface pressure and the heat transfer coefficient on the flat plate were measured with varying the gap distance between the elliptic cylinder and the flat plate. The mean velocity and the turbulent intensity profile of the streamwise velocity component were measured using a hot-wire anemometry. As a result, the flow structure and the local heat transfer rate were modified by the interaction between the cylinder wake and the turbulent boundary layer as a function of the critical gap ratio where the regular vortices start to shed. For the elliptic cylinder, the critical gap ratio is increased and the surface pressure on the flat plate is recovered rapidly at downstream location, compared with the equivalent circular cylinder. The maximum heat transfer rate occurs at the gap ratio of G/B = 0.5, where the flow interaction between the lower shear layer of the cylinder wake and the turbulent boundary layer is strong.
The motion response analysis of a submerged elliptic cylinder in waves is presented and the elliptic cylinder is a simplification of the section of submarine in this paper. The method is based on boundary integral method and two-dimensional 3 degree motions are calculated in regular harmonic waves. The fully nonlinear free surface boundary condition is assumed in an numerical domain and this solution is matched along an assumed boundary as a linear solution composed of transient Green function, The large amplitude motions of an elliptic cylinder are directly simulated and effects of wave frequency, wave amplitude and the distance from buoyancy center to gravity center are discussed.
The flow characteristics around an elliptic cylinder with axis ratio of AR=2 located near a flat plate were investigated experimentally to study the interaction between the cylinder wake and the turbulent boundary layer. The pressure distributions on the cylinder surface and on the flat plate were measured with varying the angle of attack of the cylinder. In addition, the velocity profiles of wake behind the cylinder were measured using a hot-wire anemometry As the angle of attack increases, the location of peak pressure on the windward and leeward surfaces of the cylinder moves toward the rear and front of the cylinder, respectively. At positive angles of attack, the position of the minimum pressure on the flat plate surface is moved downstream, but it is moved upstream at negative angles of attack. With increasing the angle of attack, the vortex shedding frequency is gradually decreased and the critical angel of attack exists in terms of the gap ratio. By installing the elliptic cylinder at negative angle of attack, the turbulent boundary layer over the flat plate is disturbed more than that at positive incidence. This may be attributed to the shift of separation point on the lower surface of the cylinder according to the direction of the angle of attack.
The flow characteristics around an elliptic cylinder with axis ratio of AR=2 located near a flat plate were investigated experimentally to study the interaction between the cylinder wake and the turbulent boundary layer. The pressure distributions on the cylinder surface and on the flat plate were measured with varying the angle of attack of the cylinder. In addition, the velocity profiles of wake behind the cylinder were measured using a hot-wire anemometry As the angle of attack increases, the location of peak pressure on the windward and leeward surfaces of the cylinder moves toward the rear and front of the cylinder, respectively. At positive angles of attack, the position of the minimum pressure on the flat plate surface is moved downstream, but it is moved upstream at negative angles of attack. With increasing the angle of attack, the vortex shedding frequency is gradually decreased and the critical angle of attack exists in terms of the gap ratio. By installing the elliptic cylinder at negative angle of attack, the turbulent boundary layer over the flat plate is disturbed more than that at positive incidence. This may be attributed to the shift of separation point on the lower surface of the cylinder due to the presence of a ground plate nearby.
타원형 실린더의 두께와 받음각 및 레이놀즈수가 실린더에 작용하는 항력과 양력에 어떤 영향을 미치는가를 고찰하기 위해서 수치적 연구를 수행하였다. 타원형 실린더 주위를 흐르는 비정상 점성 유동을 해석하기 위하여 SIMPLER 기법을 이용한 2차원 비압축성 Navier-Stokes 유동 해석 프로그램을 개발하였으며, 두께-시위길이 비가 0.2, 0.4, 0.6인 타원형 실린더 형상에 대해서 레이놀즈수가 400, 600인 조건, 그리고 받음각이 10도, 20도, 30도인 조건하에서 유동을 해석하였다. 본 연구를 통해서 실린더 두께 비와 받음각 및 레이놀즈수가 항력과 양력 계수의 시간 평균값 및 진폭의 크기, 그리고 진동 주기에 크게 영향을 미침을 확인할 수 있었다.
In this paper, the unsteady behavior of the viscous flow field past an impulsively started elliptic cylinder is studied numerically. In order to analyze flow field, we introduce vortex particle method. The vorticity transport equation is solved by fractional step algorithm which splits into convection term and diffusion term. The convection term is calculated with Biot-Savart law, the no-through boundary condition is employed on solid boundaries. The diffusion term is modified based on the scheme of particle strength exchange. The particle redistributed scheme for general geometry is adapted. The flows around an elliptic cylinder are investigated for various attack angles at Reynolds number 200. The comparison between numerical results of present study and experimental data shows good agreements.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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