The planar laminar impingement jet with a confinement plate has been studied numerically. Discretzing the convection term with the QUICKER scheme, the full Navier-Stokes equations for fluid flow were solved using the well known SIMPLER algorithm. The flow characteristics with Reynolds number and jet exit velocity profile effects on it were considered for H=3, Re=200 - 2000. Results show that vortical flow forms in turn along the confinement and impingement plates as the Reynolds number increases and such a complicated flow pattern has never been reported prior. The jet exit velocity profile is shown to do an important role in determining the position of vortex flow and its size as well as in stagnation and wall jet flow region. Parabolic jet exit profile results in peak of skin friction 1.4-1.6 times greater than that of uniform profile. The channel height effects are also studied and shown to have an effect on flow pattern similar to that of Reynolds number. Also shown is that effects of the jet exit velocity profile becomes less significant over a certain channel height.
고체나 액체 추진로켓에 비하여 하이브리드 추진 시스템은 작동조건의 안정성과 안전함등의 많은 장점을 가지고 있다. HTPB와 같은 고체연료는 제작 및 저장, 운송 그리고 장착상의 안정성을 가지고 있으며 하이브리드 로켓의 고체연료로의 산화제의 유입을 제어하면서 추력의 변화와 엔진내부의 연소중단과 재 점화를 용이하게 할 수 있다. 이러한 이유로 인하여 하이브리드 엔진은 좀 더 경제적인 장치로 기대를 모으고 있다. 그러나, 기존의 하이브리드 로켓 엔진은 고체 추진 로켓에 비하여 낮은 연료 regression 율과 연소효율을 가지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 요구되어지는 추력값과 연료유량을 증가시키기 위하여 고체연료의 표면적을 증가시킬 필요가 있다. 기존의 하이브리드 엔진에서는 연료 그레인에 다수의 연소포트를 만들어 표면적을 증가시켰으나 이는 비 활용 공간의 증가와 추진제의 질량 및 체적분율의 상당한 감소를 초래한다. 지난 수십년간에 걸쳐 하이브리드 엔진에서 연료의 regression 특성 및 엔진 성능 향상을 위한 연구가 계속되어 왔으며 최근에 엔진의 체적 규제를 경감시키고 연료의 regression율을 향상시키기 위하여 선회유동을 이용하는 하이브리드 로켓 엔진들이 제안되고 있다. 이러한 선회유동을 가지는 하이브리드 로켓은 고체연료 그레인에 대하여 평행하게 유입되는 기존의 하이브리드 로켓에 비하여 고체연료 벽면에서의 대류열전달이 현저하게 증가하게 되어 아주 높은 고체연료의 regression율을 얻을 수 있는 이점이 있다. 선회유동 하이브리드 로켓의 연소과정은 고체 연료의 열분해과정, 대류 열전달, 난류 혼합, 난류와 화학반응의 상호작용, soot의 생성 및 산화과정, soot 입자 및 연소가스에 의한 복사 열전달, 연소장과 음향장의 상호작용 등의 복잡한 물리적 과정을 포함하고 있다. 이러한 물리적 과정 중 난류연소, 고체연료 벽면 근방에서의 대류 열전달 및 연소과정에서 생성되는 soot 입자로부터의 복사 열전달, 그리고 고체연료 열 분해시 표면반응들은 고체연료의 regression율에 큰 영향을 미친다. 특히 고체연료의 난류화염면의 위치와 폭, 그리고 비 예혼합 난류화염장에서 생성되는 soot의 체적분율의 예측은 난류연소모델, 열전달 모델, 그리고 regression율 모델에 의해 크게 영향을 받기 때문에 수치모델의 예측 능력 향상시키기 위하여 이러한 물리적 과정을 정확히 모델링해야 할 필요가 있다. 특히 vortex hybrid rocket내의 난류연소과정은 아래와 같은 Laminar Flamelet Model에 의해 모델링 하였다. 상세 화학반응 과정을 고려한 혼합분율 공간에서의 화염편의 화학종 및 에너지 보존 방정식은 다음과 같다. 화염편 방정식과 혼합분률과 scalar dissipation rate의 관계식을 이용하여 혼합분률과 scalar dissipation rate에 따른 모든 reactive scalar들을 구하게 된다. 이러한 화염편 방정식들을 mixture fraction space에서 이산화시켜서 얻은 비선형 대수방정식은 TWOPNT(Grcar, 1992)로 계산돼 flamelet Library에 저장되게 된다. 저장된 laminar flamelet library를 이용하여 난류화염장의 열역학 상태량 평균치는 presumed PDF approach에 의해 구해진다. 본 연구에서는 강한 선회유동을 가지는 Hybrid Rocket 연소장내의 난류와 화학반응의 상호작용을 분석하기 위하여 Laminar Flamelet Model, 화학평형모델, 그리고 Eddy Dissipation Model을 이용한 수치해석결과를 체계적으로 비교하였다. 또한 Laminar Flamelet Model과 state-of-art 물리모델들을 이용하여 선회 유동을 갖는 하이브리드 로켓 엔진의 연소 및 Soot 생성 및 산화과정을 살펴보았으며 복사 열전달이 고체 연료 표면의 regression율에 미치는 영향도 살펴보았다. 특히 swirl강도, 산화제의 유입위치 그리고 선회유동의 형성방식이 하이브리드 로켓의 연소특성 및 regression rate에 미치는 영향을 상세히 해석하였다.
Three-dimensional engineering simulations of momentum-driven tornado-like vortices are conducted to investigate the flow dynamics dependency on swirl ratio and the possible relation with real tornado Fujita scales. Numerical results are benchmarked against the laboratory experimental results of Baker (1981) for a fixed swirl ratio: S = 0.28. The simulations are then extended for higher swirl ratios up to S = 2 and the variation of the velocity and pressure flow fields are observed. The flow evolves from the formation of a laminar vortex at low swirl ratio to turbulent vortex breakdown, followed by the vortex touch down at higher swirls. The high swirl ratios results are further matched with full scale data from the Spencer, South Dakota F4 tornado of May 30, 1998 (Sarkar, et al. 2005) and approximate velocity and length scales are determined.
In this paper, we investigated the flow of an incompressible viscous fluid past a sphere which is oscillated one-dimensionally over flow regimes including laminar flow at Reynolds number of 100, 200 and Strouhal number of up to 5000. In order to analyze flow and estimate critical Strouhal number, we introduce three-dimensional vortex element method. With this method, separation only appears in decreasing velocity region during the high Strouhal numbers. We find out that vorticity distribution around sphere is proportionl to the Strouhal number. And we can decide that low Strouhal number is below 100, high Strouhal number is above 500 from many results. Thus the critical Strouhal number(St) effected to the flow field is expected to be 100
The effect of rotation on the unsteady laminar flaw past a circular cylinder is numerically investigated in the present study. The numerical solutions for the 2D Navier-Stokes equation obtained, using two different numerical methods. One is an accurate spectral method and the other is a finite volume method(FVM). First, the flaw around a stationary circular cylinder is investigated to understand the basic phenomenon of flaw separation and bluff body wake. Next, the flow characteristics of the laminar flow, past a rotating circular cylinder, are investigated, using a FVM developed in this study. By the effect of rotation, it is seen that values of lift increase, while the values of mean drag decrease. Further, the criteria of angular velocity, at which the Karman vorteces disappear, is also determined.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제40권2호
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pp.102-106
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2016
An experimental study on the flow characteristics under various laminar coflow diffusion flames was conducted with a particular focus on the buoyancy force exerted from gaseous hydrocarbon fuels. Methane ($CH_4$), ethylene ($C_2H_4$), and n-butane ($C_4H_{10}$) were used as the fuels. A coflow burner and the Schlieren imaging technique were used to observe the flow field of each fuel near the nozzle exit as well as the flow characteristics in the flames. The results show that a vortex with a density heavier than air appeared in n-butane near the nozzle exit with a strong negative buoyancy on the fuel steam. As the Reynolds number increased through the control of the fuel velocity of the n-butane flame, the vortices were greater and the vortex tips were moved up from the nozzle exit. In addition, the heated nozzle affected the flow fields of the fuel steam near the nozzle exit.
The effects of rotation on the unsteady laminar flow past a circular cylinder is numerically investigated in the present study. We obtained the numerical solutions for unsteady two-dimensional governing equation for the flow using two different numerical schemes. One is an accurate spectral method and another is finite volume method. Above all, the flow around a stationary circular cylinder is investigated to understand the basic phenomenon of flow separation, bluff body wake. Also, the validation of our own codes, expecially based on FVM, is carried out by the comparison of results obtained from our simulations using two different schemes and previous numerical and experimental studies. By the effect of rotation, the mean lift increases and drag deceases, which well represent the previous study.
A finite-volume method using multi-block grid technique has been developed in order to investigate the flow field around multi-body. Here the matching grids are used at the interface between blocks and the boundary conditions are imposed there to exchange physical values across the interface. For the test problems, the laminar viscous flaw around one-and two-cylinder are simulated and the results are compared with experiments and other numerical results.
The characteristics of laminar and turbulent slot impinging jet flows are examined using segregated FEM with SUPG. Turbulent flows are modeled using $Wilcox^{(1)}$$k-\;{\omega}$ turbulence model. The results are validated by comparing with velocity field of the existing experimental data. The distance of the target plate from the nozzle varies between 2, 4 and 5 times the slot jet width. Present study shows that the $k-\;{\omega}$ model gives results which agree well with the existing experimental data. In turbulence flows, the velocity profile of present calculation is more accurate than the existing numerical calculations. In laminar flows, We found tertiary vortex which was not found in the previous numerical study by M. $chen^{(6)}$ et al due to the numerical difference.
In this numerical experiment, the preconditioned compressible Navier-Stokes equation is tested to analyze the laminar spray combustion. Sprayed flow field is formulated by Eulerian-Lagrangian system for the gas and liquid phases each. DSF(Deterministic Separated Flow) model was adopted for the sprays with the vortex model to describe transients of individual droplet heating. Simplified single global reaction model approximates methanol-air reaction with and without disk flame holder. The equation system is discretized by finite difference technique and time integrated by LU-SGS. Due to greatly simplified chemical reaction mechanism and the lack of experimental evidences, most of the efforts were devoted to show the applicability and robustness of preconditioned compressible flow calculation algorithm. Computation results in qualitatively reasonable combusting flow field, hence it is believed that further refinement are required to produce quantitatively accurate solutions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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