Direct numerical simulations of flow over a circular cylinder are performed at two different Reynolds numbers (Re=220 and 300) that correspond to three-dimensional instabilities of mode A and mode B, respectively, to investigate the characteristics of drag and lift at these Reynolds numbers. The drag and lift coefficients are measured locally along the spanwise direction and their characteristics are studied in detail. The variation of total drag in time is large at Re=220, and the total drag becomes minimum when vortex dislocation occurs in the wake. The drag and lift variations in space are also closely associated with the evolution of vortex dislocation at this Reynolds number. At Re=300, vortex dislocation is not found in the wake and temporal variations of drag and lift are much smaller than those at Re=220, but their spatial variations are quite large due to the near-wake secondary vortices existing in the mode B instability.
In the present study, we reduce the drag and lift fluctuations of the sphere by providing a linear proportional control. For this purpose, we measure the radial velocity along the centerline in the wake and provide blowing and suction at a part of sphere surface based on the measured velocity. Zero-net mass flow rate is satisfied during the control. This control is applied to the flow over a sphere at Re=300 and 425. We vary the sensing location at $0.8d{\leq}X_s{\leq}1.3d$ and find that the most effective sensing region coincides with the location at which minimum correlation between the lift and sensing-velocity directions occurs. As a result, the lift and drag fluctuations are significantly reduced.
본 논문에서는 유정열 등에서 수행된 단순화된 자동차형 2차원 물체 주위의 유동에 관한 실험적 연구와 병행하여 이루어진 수치해석적 연구의 일부와 계속된 일련의 연구를 다루었다. 수치해석은 k-.epsilon. 난류모델과 body-fitted 좌표계를 채택하여 수행하였으며, 우선 수치계산의 합리성 및 문제점을 파악하였다. 이어서 지면효과와 물체 후미의 경사각의 영향에 대하여 수치해석적으로 연구하였다.
In this study, a computational analysis is conducted to investigate the effects of porous surfaces on the lift and drag forces of the flat plate. With the porous treatment, it is found that the strength of the Karman vortex as well as its influences over the trailing-edge surface are much weakened, resulting in significant reduction of the pressure fluctuations over the flat plate. The drag and lift coefficients are decreased by 85% and 18%, respectively, compared to the solid surface. The computed results also indicate that the size of the porous surface area does not have much influences but the back side of the flat plate has non-negligible effects on the interaction between the wall and the Karman vortex. As a result, the lift coefficient for the solid back side case is decreased only by 50.5% compared to the solid case and the drag coefficient is even increased by 65%.
In this paper, we present two successful results from active controls of flows over a circular cylinder and a sphere for drag reduction. The Reynolds number range considered for the flow over a circular cylinder is 40-3900 based on the free-stream velocity and cylinder diameter, whereas for the flow over a sphere it is $10^{5}$ based on the free-stream velocity and sphere diameter. The successful active control methods are a distributed (spatially periodic) forcing and a high-frequency (time periodic) forcing. With these control methods, the mean drag and lift fluctuations decrease and vortical structures are significantly modified. For example, the time-periodic forcing at a high frequency (larger than 20 times the vortex shedding frequency) produces $50{\%}$ drag reduction for the flow over a sphere at $Re=10^{5}$. The distributed forcing applied to the flow over a circular cylinder results in a significant drag reduction at all the Reynolds numbers investigated.
Abstract In the present study, the characteristics of kinematics and dynamics in the fluttering motion of free-falling plates are investigated at Reynolds number of $10^5$. We record quasi-two-dimensional trajectories of free-falling plates with and without superhydrophobic coating using high-speed camera, and compute the drag and lift forces by trajectory analysis. Translational and angular velocities are modeled as harmonic functions with specific phase differences. In particular, periodic mass elevations near turning points are explained using the suggested models. At each turning point, a sudden drop in lift and a rapid increase in drag occur simultaneously due to fast increase in angle of attack. However, the lift is increased over the buoyancy-corrected weight of plate during gliding flight, resulting in periodic mass elevations near turning points. Superhydrophobicity is shown to increase lift but to reduce drag on a fluttering plate, resulting in the decrease of mean descent speed.
Near-wall effect on wakes behind particles is one of the important factors in precise tracking of particles in turbulent flows. However, most aerodynamic force models for particles did not fully consider the wall effect. In the present study, we focused on changes of hydrodynamic forces acting on a particle depending on wall proximity. To this end, we developed an immersed boundary method with multi-direct forcing incorporated to a fully implicit decoupling procedure for incompressible flows. We validate the present immersed boundary method through two-dimensional simulations of flow over a circular cylinder. Comprehensive parametric studies on the effect of the wall proximity on the drag and lift forces acting on an immersed circular cylinder in a channel flow are performed in order to investigate general flow patterns behind the circular cylinder for a wide range of Reynolds number (0.01 ${\leq}$ Re ${\leq}$ 200). As the cylinder is closer to the wall, the drag coefficient decreases while the lift coefficient increases with a local maximum. Maximum drag and lift coefficients for different wall proximities decrease with increment of Reynolds number. Normalized drag and lift coefficients by their maximum values show universal correlations between the coefficients and wall proximity in a low Reynolds number regime (Re ${\leq}$ 1).
In speed skiing, aerodynamic forces play an important role in determining performance of the skier. To predict aerodynamic effects of the posture of the skier on alpine downhill skiing, we constructed equation of motion of the skier and performed the corresponding CFD simulations. Comparing drag and lift of three different skier postures, it has been shown that drag decreases significantly by tucking upper body to lower body and stretching arms forward. Also, aerodynamic lift which worked as downforce in standing posture worked upward in tuck posture, reducing friction force between snow and ski. This indicates that tuck posture have advantages over standing posture in dual mechanism, namely by reducing drag and also increasing lift. By this two-dimensional initial study we could reveal the general tendency of the aerodynamic force over the skier's body. This study not only provides a theoretical foundation for the athletes to understand the aerodynamic effects of skier postures but also shed a light on towards more accurate and rational three-dimensional CFD simulation of skiers in the near future study.
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.
Lee Dae-Sung;Ha Man-Yeong;Kim Sung-Jin;Yoon Hyun-Sik
Journal of Mechanical Science and Technology
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제20권6호
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pp.849-863
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2006
IBM (Immersed Boundary Method) with feedback momentum forcing was applied to stationary and moving bodies. The capability of IBM to treat the obstacle surfaces, especially with moving effect has been tested for two dimensional problems. Stationary and oscillating cylinders were simulated by using IBM based on finite volume method with Cartesian coordinates. For oscillating cylinder, lateral and vertical motions are considered, respectively. Present results such as time histories of drag and lift coefficients for both stationary and oscillating cases are in good agreement with previous numerical and experimental results. Also, the instantaneous wake patterns of oscillating cylinder with different oscillating frequency ratios well represented those of previous researches. More feasibility study for IBM has been carried out to two oscillating cylinders. Drag and lift coefficients are presented for two cylinders oscillating sinusoidally with phase difference of $180^{\circ}$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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