Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.12
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pp.2989-2994
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2000
A mechanical face seal is a tribo-element intended to control leakage of working fluid at the interface of a rotating shaft and its housing. Leakage of working fluid decreases drastically as the clearance between mating seal faces gets smaller. But the very small clearance may result in an increased reduction of seal life because of high wear and heat generation. Therefore, in the design of mechanical face seals a compromise between low leakage and acceptable seal life is important, ant it present a difficult and practical design problem. A fluid film or sealing dam geometry of the seal clearance affects seal lubrication performance very much, and thereby is optimization is one of the main design consideration. in this study the Reynolds equation for the sealing dam of mechanical face seals is numerically analyzed, using the Galerkin finite element method, which is readily applied to various seal geometries, to give lubrication performances, such as opening force, restoring moment, leakage, and axial and angular stiffness coefficients. Then, to improve the seal performance an optimization is performed, considering various design variables simultaneously. For the tested case the optimization ha successfully resulted in the optimal design values of outer and inner seal radii, coning, seal clearance, and balance radius while satisfying all the operation subjected constraints and design variable side-constraints, and improvements of axial and angular stiffness coefficients by 16.8% and 2.4% respectively and reduction of leakage by 38.4% have been achieved.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.40
no.6
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pp.357-363
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2016
In this study, we perform a series of aero-thermo-mechanical analyses to predict the running-tip clearance and the effects of impeller deformation on the performance using a centrifugal compressor. During operation, the impeller deformation due to a combination of the centrifugal force, aerodynamic pressure and the thermal load results in a non-uniform tip clearance profile. For the prediction, we employ the one-way fluid-structure interaction (FSI) method using CFX 14.5 and ANSYS. The predicted running tip clearance shows a non-uniform profile over the entire flow passage. In particular, a significant reduction of the tip clearance height occurred at the leading and trailing edges of the impeller. Because of the reduction of the tip clearance, the tip leakage flow decreased by 19.4%. In addition, the polytrophic efficiency under operating conditions increased by 0.72%. These findings confirm that the prediction of the running tip clearance and its impact on compressor performance is an important area that requires further investigation.
A number of passive aerodynamic drag reduction methods were applied separately and then in different combinations on an intercity bus model, through wind tunnel studies on a 1:20 scale model of a Mercedes Benz Tourismo 15 RHD intercity bus. Computational fluid dynamics (CFD) modelling was also conducted in parallel to assist with flow visualisation. The commercial CFD package $CFX^{TM}$ was used. It has been found that dramatic reductions in coefficient of drag ($C_D$) of up to 70% can be achieved on the model using tapered and rounded top and side leading edges, and a truncated rear boat-tail. The curved front section allows the airflow to adhere to the bus surfaces for the full length of the vehicle, while the boat-tails reduce the size of the low pressure region at the base of the bus and more importantly, additional pressure recovery occurs and the base pressures rise, reducing drag. It is found that the CFD results show remarkable agreement with experimental results, both in the magnitude of the force coefficients as well as in their trends. An analysis shows that such a reduction in aerodynamic drag could lead to a significant 28% reduction in fuel consumption for a typical bus on intercity or interstate operation. This could translate to a massive dollar savings as well as significant emissions reductions across a fleet. On road tests are recommended.
Centrifugal fans are widely used in industrial practices but the noise generated by these machines causes one of the most serious problems. In general, the centrifugal fan noise is often dominated by tones at BPF(blade passage frequency) and its higher harmonics. This is a consequence of the strong interaction between the flow discharged from the impeller and the cutoff in the easing. However, only a few researches have been carried out on predicting the noise because of the difficulty in obtaining detailed information about the flow field and casing effects on noise radiation. The objective of this study is to develop a prediction method for the unsteady flow field and the acoustic pressure field of a centrifugal fan, and to calculate the effects of small vanes that are attached in original impeller - Splitter impeller. We assume that the impeller rotates with a constant angular velocity and the flow field around the impeller is incompressible and inviscid. So, a discrete vortex method (DVM) is used to model the centrifugal fan and to calculate the flow field. The force of each element on the blade is calculated by the unsteady Bernoulli equation. Lowson's method is used to predict the acoustic source. The splitter impeller changes the acoustic characteristics as well as performance. Two-splitter type impeller and splitter impeller which splitter locates in jet region are good for acoustic characteristics.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.2
no.2
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pp.69-75
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1985
The object of this study is to discuss the effect of cutting fluid on the mechanism of chip formation in orthogonal cutting. Rehbinder effect has been known as a phenomenon, the reduction of mechanical strength, when the metal is exposed in a polar organic environment or the surface of metal is coated with some polar organic substances. About the cause of Rehbinder effect there have been many different ideas by Rehbinder, Merchant, Shaw, Sakakida and etc. In this report, the effects of surface active medium (magic ink) upon the mechanism of chip formation on the orthogonal cutting of copper and the mechanical properties of the work material are experimentally discussed with constant rake angle. Under the condition of polar organic environment the experimental results are as follows; 1) The chip thickness becomes thinner and slip line pitch on the free surface of chip becomes smaller than that of dried cutting area. 2) The order of alternation of cutting ratio was changed. 3) The friction angle on the tool face is not affected by the depth of cut. 4) The cutting force and shear strain on the shear plane decrease remarkably, therefore the work material must be embrittled under polar organic environment.
In this paper, wake equalizing duct (WED) form optimization was carried out using computational fluid dynamics (CFD) techniques. A WED is a ring-shaped flow vane with a foil-type cross-section fitted to a hull in front of the upper propeller area. The main advantage of a WED is the power savings resulting from the uniformity of the velocity distribution on the propeller plane, a reduction in the flow separation at the aft-body, and lift generation with a forward force component on the foil section. This paper intends to evaluate these functions and find an optimized WED form for minimizing the viscous resistance and equalizing the wake distribution. In the optimization process, the study uses four WED parameters: the angle of the section, longitudinal location, and angles of the axes for the half rings against the longitudinal and transverse planes of the ship. KRISO 300K VLCC2 (KVLCC2) is chosen as an example ship to demonstrate the WED optimization. The optimization procedure uses genetic algorithms (GAs), a gradient-based optimizer for the refinement of the solution, and Non-dominated Sorting GA-II(NSGA-II) for Multiobjective Optimization. The results show that the optimized WED can reduce the viscous resistance at the expense of the uniformity of the wake distribution.
Friction reduction between machine components is important for improving their efficiency and lifespan. In recent years, surface texturing has received considerable attention as a viable means to enhance the efficiency and tribological performance of highly sliding mechanical components such as parallel thrust bearings, mechanical face seals, and piston rings. In this study, we perform lubrication analysis to investigate the effect of dimple shapes and orientations on the lubrication characteristics of a surface textured parallel thrust bearing. Numerical analysis involves solving the continuity and Navier-Stokes equations using a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT. We use dimples consisting of hemispherical and different semiellipsoidal orientations for simulation. We compare pressure and streamline distributions, load capacity, friction force, and leakage flowrate for different numbers of dimples and orientations. We find that the dimple shapes, orientations, and their numbers starting from an inlet influence the lubrication characteristics. The results show that partial texturing of the bearing inlet region, and the ellipsoidal dimples with the major axis aligned along the lubricant flow direction exhibit the best lubrication characteristics in terms of higher load capacity and lower friction. The results can be used in the design of optimum dimple characteristics for parallel thrust bearings, for which further research is required.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.8
no.1
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pp.23-35
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2015
This paper presents the rotordynamic performance measurement of oil-free turbocharger (TC) supported on gas foil bearings (GFBs) for 2 liter class diesel vehicles and comparison to floating ring bearings (FRBs). Oil-free TC was designed and developed via the rotordynamic analyses using dynamic force coefficients from GFB analyses. The rotordynamics and performance of the oil-free TC was measured up to 85 krpm while being driven by a diesel vehicle engine, and compared to a commercial oil-lubricated TC supported on FRBs. The test results showed that the GFBs increased the rotor speed by ~ 20% at engine speeds of 1,500 rpm and 1,750 rpm, yielding the reduction of turbine input energy by more than 400 W. Incidentally, an external shock test on the oil-free TC casing was conducted at the rotor speed of 60 krpm, and showed a good capability of vibration damping due to the well-known dry friction mechanism of the GFBs.
In this research, seismic response of pipes is examined by applying nanotechnology and piezoelectric materials. For this purpose, a pipe is considered which is reinforced by carbon nanotubes (CNTs) and covered with a piezoelectric layer. The structure is subjected to the dynamic loads caused by earthquake and the governing equations of the system are derived using mathematical model via cylindrical shell element and Mindlin theory. Navier-Stokes equation is employed to calculate the force due to the fluid in the pipe. Mori-Tanaka approach is used to estimate the equivalent material properties of the nanocomposite and to consider the effect of the CNTs agglomeration on the scismic response of the structure. Moreover, the dynamic displacement of the structure is extracted using harmonic differential quadrature method (HDQM) and Newmark method. The main goal of this research is the analysis of the seismic response using piezoelectric layer and nanotechnology. The results indicate that reinforcing the pipeline by CNTs leads to a reduction in the displacement of the structure during an earthquake. Also the negative voltage applied to the piezoelectric layer reduces the dynamic displacement.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.36
no.1
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pp.94-100
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2012
The passive control by vertical splitter plate of fluid force acting on a square prism near a plane wall was studied by measuring of fluid force on the prism and by visualization of the flow field using PIV. The hight of the splitter plate was 10% of the square width. The experimental parameters were the attaching position of vertical splitter plate and the space ratios G/B to the prism height. Time variation of vorticity was most remarkable at 3.0B(B: prism height) position toward wake direction from the center of the prism. The point of inflection of average lift coefficient and Strouhal number on the prism were represented at the space ratio G/B=0.4~0.6 for the prism having vertical splitter plate. The drag of the prism was reduced average 5.0% with the space ratios by attaching the vertical splitter plate at the upper and rear corner on the prism. In this case, the size of the separated region on the upside of the prism was smaller than that of prism having no the splitter plate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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