Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제21권2호
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pp.89-107
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2017
In this paper, we have proposed a modified Marker-And-Cell (MAC) method to investigate the problem of an unsteady 2-D incompressible flow with heat and mass transfer at low, moderate, and high Reynolds numbers with no-slip and slip boundary conditions. We have used this method to solve the governing equations along with the boundary conditions and thereby to compute the flow variables, viz. u-velocity, v-velocity, P, T, and C. We have used the staggered grid approach of this method to discretize the governing equations of the problem. A modified MAC algorithm was proposed and used to compute the numerical solutions of the flow variables for Reynolds numbers Re = 10, 500, and 50000 in consonance with low, moderate, and high Reynolds numbers. We have also used appropriate Prandtl (Pr) and Schmidt (Sc) numbers in consistence with relevancy of the physical problem considered. We have executed this modified MAC algorithm with the aid of a computer program developed and run in C compiler. We have also computed numerical solutions of local Nusselt (Nu) and Sherwood (Sh) numbers along the horizontal line through the geometric center at low, moderate, and high Reynolds numbers for fixed Pr = 6.62 and Sc = 340 for two grid systems at time t = 0.0001s. Our numerical solutions for u and v velocities along the vertical and horizontal line through the geometric center of the square cavity for Re = 100 has been compared with benchmark solutions available in the literature and it has been found that they are in good agreement. The present numerical results indicate that, as we move along the horizontal line through the geometric center of the domain, we observed that, the heat and mass transfer decreases up to the geometric center. It, then, increases symmetrically.
We develop a novel immersed boundary (IB) method based on implicit direct forcing scheme for incompressible flows. The proposed IB method is based on an iterative procedure for calculating the direct forcing coupled with the momentum equations in order to satisfy no-slip boundary conditions on IB surfaces. We perform simulations of two-dimensional flows over a circular cylinder for low and moderate Reynolds numbers. The present method shows that the errors for estimated velocities on IB surfaces are significantly reduced even for low Reynolds number with a fairly large time step while the previous methods based on direct forcing failed to provide no-slip boundary conditions on IB surfaces.
An experimental study is carried out for an aluminum foam heat sink attached to an isolated heat source to evaluate high potential of aluminum foam as a heat sink with impinging jets. The effects of the pore density and the height of the aluminum foam heat sink, the jet Reynolds number, and the nozzle diameter are delineated in comparison with a conventional pin type heat sink. It is found that the aluminum foam with small pores is inefficient for the heat transfer enhancement due to the large flow friction at the given porosity. In the parameter ranges of the present study, the change in the nozzle diameter shows no significant effects on the surface temperature of the aluminum foam heat sink at a given Reynolds number. The heat transfer enhancement is strongly dependent on the jet Reynolds number and shows a maximum value at a moderate Reynolds number.
This work comes within the framework of the "Benchmark on the Aerodynamics of a Rectangular Cylinder" that investigates a rectangular cylinder of length-to-depth ratio equal to 5. The present study reports and discusses velocity fields acquired using planar Particle Image Velocitmetry for several angles of attack and Reynolds numbers. In particular, for a cylinder depth-based Reynolds number of 2 × 104 and zero incidence angle, the flow features along the lateral (parallel to the freestream) upper and lower surfaces of the cylinder are reported. Using first and second order statistics of the velocity field, the main flow features are discussed, especially the size and location of the time-averaged flow structures and the distribution of the Reynolds stresses. The variation of the flow features with the incidence is also studied considering angles of attack up to 6°. It is shown that the time-averaged flow is fully detached for incidence higher than 2°. For an angle of attack of 0°, the effects of the Reynolds number varying between 5 × 103 and 2 × 104 are investigated looking at flow statistics. It is shown that the time-averaged location of the reattachment point and the shape and position of the time-averaged main vortex are mostly constant with the Reynolds number. However, the size of the inner region located below the time-averaged shear layer and just downstream the leading edge corner appears to be strongly dependent on the Reynolds number.
Development of thin carbon nanotubes (CNTs) nanoliquid film over the rough surface of a horizontal rotating disk is investigated by considering symmetric roughness either along the azimuthal or radial directions. The disk surface is either heated or cooled axisymmetrically from below. The effects of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) are analyzed on the film thinning process with different types of base liquids. Closed form solutions for velocity and temperature field are obtained for small values of Reynolds number whereas the numerical solution is derived for moderate values of Reynolds number. It is found that fluid retention / depletion takes place when the roughness is symmetric along the azimuthal / radial directions. It is also seen that the film thinning rate enhances for MWCNTs compare to SWCNTs. Further it is found that two different heat transfer regions exits within the flow domain depending on the fact that heat is transferred from disk to liquid film and vice-versa.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제36권8호
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pp.1091-1096
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2012
유한체적법을 기반으로 나비에 스톡스 방정식을 비구조격자로 풀어 실린더 주위의 공력특성을 규명하였다. 보텍스, 속도, 압력, 잔차, 항력계수 등의 데이터를 가지고 분석하였고 레이놀즈 수는 50, 100이다. 유동특성은 Re>50에서 주기적으로 진동하는 소용돌이를 후류에 형성하며 이 현상은 이동하는 실린더에서도 유사한 현상을 보여 주었다. 지면효과는 실린더 위쪽에서 형성된 소용돌이가 벽면에 근접할수록 실린더의 후방으로 길게 늘어나는 형상을 보이고, 실린더와 근접벽면 사이의 유속이 정체되어 실린더와 벽면 사이의 간격이 0.6 에서는 근접 평판과 실린더 사이의 유동이 거의 끊겨짐을 알 수 있었다. 본 수치계산의 검증을 위하여 항력계수를 타 연구결과와 비교하였다.
The Effects of radiative heat transfer on turbulent flow in a partitioned enclosure is studied numerically. The enclosure is partially divided by a thin, poorly conducting vertical divider projecting from the ceiling of the enclosure. The low Reynolds number $k-{\epsilon}$ model is adopted to calculate the turbulent flow field. The solutions to the radiative transfer equations are obtained by the discrete ordinates method(DOM). This method is based on control volume method and is compatible with the SIMPLER algorithm used to solve the momentum and energy equations. The effects of optical thickness and Planck number on the flow, temperature fields and heat transfer rates are investigated for a moderate Rayleigh number($=10^9$). The changes in buoyant flow fields and temperature distributions due to the variation of baffle length are also analyzed. From the predictions, radiant heat exchange between the baffle and the sidewalls strongly influences the temperature distribution in the baffle and its vicinity and total heat transfer increases as the optical thickness and the baffle length decrease. It is possible to neglect the radiative heat transfer effect when Planck number is over one.
We performed the simulation of the unsteady three dimensional flow over a square cylinder in a wind tunnel in moderate Reynolds number range, $100{\sim}2500$ by using LBM. SGS model was applied for the turbulent flow. Frist of all we compared LBM(Lattice Boltzmann Method) solution of Poiseuille flow applied Farout and bounce back boundary conditions with the analytical and FOAM solutions to verify the applicability of the boundary conditions. For LBM simulation the calculation domain was formed by structured grids and prescribed uniform velocity and density inlet and Farout boundary conditions were imposed on the in-out boundaries. Bounceback and wind tunnel boundary conditions were applied to the cylinder walls and the boundaries of calculation domain respectively. The maximum Strouhal number of the vortex shedding is 0.2025 at Re = 750. and the number maintains the constant value of 0.18 when Re>1000. We also predicted that the critical reynolds number of the turbulent flow is in the range of $250{\sim}500$.
Borna, Amir;Habashi, Wagdi G.;McClure, Ghyslaine;Nadarajah, Siva K.
Wind and Structures
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제16권5호
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pp.411-431
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2013
A computational study of vortex-induced transverse vibrations of a cylinder with low mass-damping is presented. An Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation of the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (URANS), along with the Spalart-Allmaras (SA) one-equation turbulence model, are coupled conservatively with rigid body motion equations of the cylinder mounted on elastic supports in order to study the amplitude and frequency response of a freely vibrating cylinder, its flow-induced motion, Vortex Street, near-wake flow structure, and unsteady loading in a moderate range of Reynolds numbers. The time accurate response of the cylinder from rest to its limit cycle is studied to explore the effects of Reynolds number on the start of large displacements, motion amplitude, and frequency. The computational results are compared with published physical experiments and numerical studies. The maximum amplitudes of displacements computed for various Reynolds numbers are smaller than the experimental values; however, the overall agreement of the results is quite satisfactory, and the upper branch of the limit-cycle displacement amplitude vs. reduced velocity response is captured, a feature that was missed by other studies. Vortex shedding modes, lock-in phenomena, frequency response, and phase angles are also in agreement with experiments.
Supersonic microjets acquire considerable research interest from a fundamental fluid dynamics perspective, in part because the combination of highly compressible flow at low-to-moderate Reynolds number is not very common, and in part due to the complex nature of the flow itself. In addition, microjets have a great variety engineering applications such as micro-propulsion, MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) components, microjet actuators and fine particle deposition and removal. Numerical simulations have been carried out at moderate nozzle pressure ratios and for different nozzle exit diameters to investigate and to understand in-depth of aerodynamic characteristics of supersonic microjets.
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