International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제7권4호
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pp.174-182
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2014
The ultimate objective of this study is to develop a water turbine appropriate for low-head open channels to effectively utilize the unused hydropower energy of rivers and agricultural waterways. The application of a cross-flow runner to open channels as an undershot water turbine has been considered and, to this end, a significant simplification was attained by removing the turbine casing. However, the flow field of an undershot cross-flow water turbine possesses free surfaces, and, as a result, the water depth around the runner changes with variation in the rotational speed such that the flow field itself is significantly altered. Thus, clear understanding of the flow fields observed with free surfaces to improve the performance of this turbine is necessary. In this study, the performance of this turbine and the flow field were evaluated through experiments and numerical analysis. The particle image velocimetry technique was used for flow measurements. The experimental results reflecting the performance of this turbine and the flow field were consistent with numerical analysis. In addition, the flow fields at the inlet and outlet regions at the first and second stages of this water turbine were clarified.
In this paper we investigated the characteristics of surface degradation in silicone rubber due to corona exposure and recovery mechanism. It was shown that surface free energy was 22.42 mJ/$m^2$ on initial sample but surface free energy was approximately increased to 71.14 mJ/$m^2$ after 45 minutes. However, surface free energy on silicone rubber after corona discharge treatment was completely recovered within a short time due to diffusion of low molecular weight(LMW) silicone fluid. It was shown that corona discharge insured the increase of diffusible LMW chains, which could lead to recover the surface hydrophobicity. 200~370 g/mol distribution of LMW silicone fluid which was extracted by solvent-extraction with gel permeation chromatography (GPC) was contributed to recovery. The surface degradation characteristics on silicone rubbers and the recovery mechanism based on our results were discussed.
The numerical simulation of wave slamming on a 3D platform deck was investigated using a coupled Level-Set and Volume-of-Fluid (CLSVOF) method for overset grid system incorporated into the Finite-Analytic Navier-Stokes (FANS) method. The predicted slamming impact forces were compared with the corresponding experimental data. The comparisons showed that the CLSVOF method is capable of accurately predicting the slamming impact and capturing the violent free surface flow including wave slamming, wave inundation and wave recession. Moreover, the capability of the present CLSVOF method for overset grid system is a prominent feature to handle the prediction of wave slamming on offshore structure.
The shock wave process represents an abrupt change in fluid properties, in which finite variations in pressure, temperature, and density occur over the shock thickness which is comparable to the mean free path of the gas molecules involved. This shock wave fluid phenomenon is simulated by using the finite difference lattice Boltzmann method (FDLBM). In this paper, a new model is proposed using the lattice BGK compressible fluid model in FDLBM for the purpose of speeding up the calculation as well as stabilizing the numerical scheme. The numerical results of the proposed model show good agreement with the theoretical predictions.
The dynamic behavior of the rectangular liquid storage structure is known to be greatly influenced by fluid-structure interaction. By mounting the liquid storage structure on the properly designed base isolators, dynamic response of the superstructure can be reduced. However, base isolators inevitably incur large displacement of the structure to the ground ·ind may give adverse effects on the sloshing height. This paper presents the analysis method for fluid-structure-isolator interaction in base-isolated rectangular liquid storage structures. In the method, the irrotational motion of invicid and incompressible ideal fluid is expressed by analytic solutions and the superstructure and isolators are properly modeled by finite element and bilinear model. Free surface sloshing motion, hydrodynamic pressure acting on the wall and structural response are obtained by the presented method.
Fractional Step Methods(FSM) are popular in simulation of unsteady incompressible flow. In this study, we demonstrate that FSM, combined with a Volume-Of-Fluid method, can be further applied to simulation of multiphase flow. The interface between the fluids is constructed by the effective least squares volume-of-fluid interface reconstruction algorithm and advected by the velocity using the operator split advection algorithm. To verify our numerical methodology, our results are compared with other authors' numerical and experimental results for the benchmark problems, revealing excellent agreement. The present FSM sheds light on accurate simulation of turbulent multiphase flow which is found in many engineering applications.
Theoretical and numerical studies are given to the sink flows within a rotating circular tank driven by the fluid withdrawal from a bottom circular hole. It was found that, when the upper free surface was set with no-slip boundary conditions, the Ekman boundary-layer develops not only above the bottom surface but under the top surface. The sink fluid is coming from the two Ekman layers, and the mass transfer from the bulk, inviscid region is dependent on the rotational speed. It is also remarkable to see that all the fluid gathered along the axis flows in a form of rapidly rotating fluid column haying almost the same diameter as the bottom hole.
There are two wave modes induced by an oscillating body on the free surface of a two-layer fluid: the barotropic and baroclinic modes. To investigate the generated waves composed of two modes, a radiation problem involving a heaving rectangular body was solved in a numerical wave tank. A new artificial damping zone scheme was developed and applied in the frequency-domain analysis. The performance of this damping scheme was compared with given radiation boundary conditions for various conditions. The added mass and radiation damping coefficients for the heaving rectangular body were also calculated for various fluid-density ratios.
The free flexural vibration of a cantilever plate partially submerged in a fluid is investigated. The fluid is assumed to be inviscid and irrotational. The virtual mass matrix is derived by solving the boundary-value problem related to the fluid motion using elliptical coordinates. The introduction of the elliptical coordinates naturally leads to the use of the Mathieu function. Hence, the virtual mass matrix which reflects the effect of the fluid on the natural vibration characteristics is expressed in analytical form in terms of the Mathieu functions. The virtual mass matrix is then combined with the dynamic model of a thin rectangular plate obtained by using the Rayleigh-Ritz method. This combination is used to analyze the natural vibration characteristics of a partially submerged cantilever plate qualitatively. Also, the non-dimensionalized added virtual mass incremental factors for a partially submerged cantilever plate are presented to facilitate the easy estimation of natural frequencies of a partially submerged cantilever plate. The numerical results validate the proposed approach.
The free vibration characteristics of the triple cylindrical shells filled with fluid are investigated. The triple cylindrical shells are filled with compressible fluid. The boundary condition is clamped at both ends. Analytical method is developed to evaluate natural frequencies of triple cylindrical shells using Sanders' shell theory and courier series expansion by Stokes' transformation. Their results are compared with those of finite element method to verify the validation of the method developed. The modal characteristics of shells filled with fluid at region 1, 2 and 3 are evaluated.
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