Computational fluid dynamics analysis was carried out for thermo-chemical flow field in Arcjet thruster with mono-propellant Hydrazine ($N_2$H$_4$) as a working fluid. The theoretical formulation is based on the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations for compressible flows with thermal radiation. The electric potential field governed by Maxwell equation is loosely coupled with the fluid dynamics equations through the Ohm heating and Lorentz force. Chemical reactions were assumed being infinitely fast due to the high temperature field inside the arcjet thruster. An equilibrium chemistry module for nitrogen-hydrogen mixture and a thermal radiation module for optically thin media were incorporated with the fluid dynamics code. Thermo-physical process inside the arcjet thruster was understood from the flow field results and the performance prediction shows that the thrust force is increased by amount of 3 times with 0.6KW arc heating.
The turbulent shear flow around a surface-mounted vertical fence was investigated using the two-frame PTV system. The Reynolds number based on the fence height(H) was 2950. From this study, it is revealed that at least 400 instantaneous velocity field data are required for ensemble average to get reliable turbulence statistics, but only 100 field data are sufficient for the time-averaged mean velocity information. Various turbulence statistics such as turbulent intensities, turbulence kinetic energy and Reynolds shear stress were calculated from 700 instantaneous velocity vector fields. The fence flow has an unsteady recirculation region behind the fence, followed by a slow relaxation to the flat-plate boundary layer flow. The time-averaged reattachment length estimated from the streamline distribution is about 11.2H. There exists a region of negative Reynolds shear stress near the fence top due to the highly convex (stabilizing) streamline-curvature of the upstream flow. The large eddy structure in the separated shear layer seems to have significant influence on the development of the separated shear layer and the reattachment process.
This paper presents an arc(hot-gas flow field) analysis method in GCB. This method includes the Lorentz's force due to magnetic field, turbulent viscous effect and radiation heat transfer which are indispensable to the analysis of hot-gas flow. To verify the applicability of the Proposed method, steady state hot-Eas flow analysis within a simplified interrupter has been carried out. Inlet boundary pressure values were assumed to be 9.0atm and 12.0atm. For each inlet boundary condition, three cases of hot-gas flow field analyses were performed according to the values of arc currents which were assumed to be D.C 0.6kA. 1.0kA and 2.0kA. The results revealed that the arc radius at nozzle throat has been concentrated by increasing the pressure of nozzle upstream and that the maximum temperature of arc core has been decreased along to nozzle exit and the high temperature lesion come to be wide in nozzle downstream. From these results, it is confirmed that the proposed method will be applicable to predict the large current interruption capability of GCB.
This study measured the velocity of magnetic particles inside the power generation using external heat sources. Single Plane Illumination Microscopy (SPIM) was used to measure magnetic particles that are simultaneously affected by bubbly flow and magnetic field. It has the advantage of reducing errors due to particle superposition by illuminating the thin light sheet. The hydraulic diameter of the power generation is 3mm. Its surface is covered with a coil with a diameter of 0.3 mm. The average diameter of a magnetic particle is 200nm. The excitation and emission wavelengths are 530 and 650nm, respectively. In order to find out the flow characteristics, a total of four velocity fields were calculated in wide and narrow gap air bubbles, between the wall and the air bubble and just below the air bubble. Magnetic particles showed up to 8.59% velocity reduction in the wide gap between air bubbles due to external magnetic field.
When exposed to uniform magnetic fields externally applied, paramagnetic particles acquire dipole moments and the induced moments interacting with each other lead to the formation of chainlike structures or clusters of particles aligned with the field direction. A direct simulation method, based on the Maxwell stress tensor and a fictitious domain method, is applied to solve flows with magnetic chains in simple shear flow. We assumed that the particles constituting the chains are paramagnetic, and inertia of both flow and magnetic particles is negligible. The numerical scheme enables us to take into account both hydrodynamic and magnetic interactions between particles in a fully coupled manner, enabling us to numerically visualize breakup and reformation of the chains by the combined effect of the external field and the shear flow. Simple shear flow with suspended magnetic chains is solved in a periodic domain for a given magnetic field. Dynamics of interacting magnetic chains is found to be significantly affected by a dimensionless parameter called the Mason number, the ratio of the viscous force to the magnetic force in the shear flow. The effect of particle area fraction on the chain dynamics is investigated as well.
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.
한국가시화정보학회 2004년도 Proceedings of 2004 Korea-Japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry
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pp.75-80
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2004
Aerospike nozzles have been expected to be used for an engine of a reusable space shuttle to respond to growing demand for rocket-launching and its cost reduction. In this study, the flow field structures in any cross sections around clustered linear aerospike nozzles are visualized and analyzed, using laser induced fluorescence (LIF) of nitrogen monoxide seeded in the carrier gas of nitrogen. Since flow field structures are affected mainly by pressure ratio, the clustered linear aerospike nozzle is set inside a vacuum chamber to carry out the experiments in the wide range of pressure ratios from 75 to 200. Flow fields are visualized in several cross-sections, demonstrating the complicated three-dimensional flow field structures. Pressure sensitive paint (PSP) of PtTFPP bound by poly- IBM -co-TFEM is also applied to measurement of the complicated pressure distribution on the spike surface, and to verification of contribution of a truncation plane to the thrust. Finally, to examine the effect of the sidewalls attached to the aerospike nozzle, the flow fields around the nozzle with the sidewalls are compared with those without sidewalls.
해빈 보존공법중 배수층설지 공법의 타당성 분석을 위하여 파랑모형과 침투류모형을 결합한 복합모형을 구성하여 수치실험을 수행하였다 파랑모형으로는 Shuto(1972)의 해석해를 사용하였고, 침투류모형으로는 포화-비포화흐름의 지배방정식인 Richards식을 사용하였다. 구성된 복합모형의 민감도 분석에 의하면 포화투수계수가 해빈내부의 지하수 흐름장에 가장 민감한 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 또한 보다 많은 현지의 실측자료들이 수집 된다면 개발된 모형은 해빈내에 배수층 설치시 필요로 되는 제요소 해석에 효율적으로 이용될 수 있을 것이다
The characteristics of the flow and energy conversion in OMACON liquid-metal MHD system are investigated. Numerical simulation of two-phase flow in the OMACON system without magnetic field was carried out by the Phoenics code and the energy conversion characteristics are studied in association with the fact that the mechanical energy loss at the nozzle of the OMACON system are to be converted into electrical energy. In this system, working fluid (gas) is injected through the mixer located at the bottom of the riser, and is mixed with hot liquid metal. Therefore in the riser two-phase flow is developed under the influence of the gravity. In this study, the interaction between the gas and liquid is considered by the use of IPSA(InterPhase Slip Algorithm) where standard drag coefficient has been used. It has been assumed that in the flow regime the liquid is continuous and the gas is dispersed. For the liquid and gas, the continuity equations, momentum equations and energy equations are solved respectively in association with void fraction in the flow field. In order to calculate the energy conversion efficiency, firstly the ratio of the mechanical energy loss of liquid metal flow at the nozzle to the input thermal energy is considered. Secondly flow pattern of liquid metal in the generator has been analyzed, and the characteristics of the conversion of the mechanical energy into the electrical energy has been investigated. For an representative case where Hartmann number is 540 and magnetic field is 0.35 T, the present analysis shows that the energy conversion efficiency is 0.653. This result is considered to be reasonable in comparison with published experimental results.
Flow field-flow fractionation (FlFFF) is a technology to separate the molecules by size in an open channel. Molecules with different size have different diffusivities and are located vertically in different positions when passing through an open channel. In this study, hollow fiber membranes instead of conventional rectangular channels have been used as materials for the open channel and this change would decrease the cost of manufacturing. FlFFF is a useful technique to characterize the biopolymeric materials. Retention time, diffusion coefficients and Stokes radius of analysis can be calculated from the related simple equations. Hollow-fiber flow field-flow fractionation (HF-FlFFF) has been used for the characterization and separation of protein mixture in a phosphate buffer solution and has demonstrated the potential to be developed into a disposable FlFFF channel. The important indexes for the analytical separation are selectivity, resolution and plate height. The optimized separation condition for protein mixture of Ovalbumin, Alcohol dehydrogenase, Apoferritin and Thyroglobulin is ${\dot V}_{out}/{\dot V}_{rad}=0.65/0.85\;mL/min$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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