The measurements of velocity vectors are made in the near wake(X/d=5.0) of a circular cylinder with serrated fins. Velocity of fluid which flow through fins decreases as increasing fin height and freestream velocity and decreasing fin pitch. Therefore the velocity distribution at X/d=0.0 has lower gradient with increasing freestream velocity and fin height and decreasing fin pitch. The discontinuity of the streamwise velocity gradient is observed near the fin edge and causes significant changes in V-component velocity distribution in the near wake. This change attributes to the differences in Strouhal number and entraintment flow behavior. Increased turbulent intensity around a circular cylinder due to the serrated fins and entrainment flow are important factors for the recovery of velocity defect. The widths of velocity and turbulent intensity distribution of fin tubes are wider than those of a circular cylinder. The normalized velocity and turbulent intensity distributions with a hydraulic diameter which is proposed in this paper are in closer agreement with those of a circular cylinder.
When vortex shedding is locked-on to a single frequency oscillatory flow, the variations of vortex dynamics are investigated using a time-resolved PIV system. Wake regions of recirculation and vortex formation, dynamic behavior of the shed vortices and the Reynolds stress fields are measured in the wake-transition regime at the Reynolds number 360. In the lock-on state, reduction of the wake region occurs and flow energy distributed downstream moves upstream being concentrated near the cylinder base. To observe the dynamic behavior of the shed vortices, the trajectory of the vortex center extended to the inside of the wake bubble is considered, which describes well the formation and evolution processes. The Reynolds stresses and their contributions to overall force balance on the wake bubble manifest the increase of the drag force by the lock-on.
The temporal evolution of wake behind a circular cylinder oscillating rotationally with a relatively high forcing frequency has been investigated experimentally using a dynamic PIV technique. Experiments were carried out with varying the frequency ratio $F_R\;(=f_f/f_n)$ in the range from 0.0 (stationary) to 1.6 at oscillation amplitude of ${\theta}_A=30^{\circ}$ and Reynolds number of $Re=4.14{\times}10^3$. Depending on the forcing condition ($F_R$), the flow was divided into three regimes; non-lock-on ($F_R=0.4$), transition ($F_R=0.8$, 1.6) and lock-on regimes ($F_R=1.0$) with markedly different flow structure in the near-wake region behind the cylinder. When the frequency ratio was less than 1.0 ($F_R{\le}1.0$), the rotational oscillatory motion of the cylinder decreased the length of the vortex formation region and enhanced the mutual interaction between large-scale vortices across the wake centerline. The entrainment of ambient fluid seemed to play an important role in controlling the near-wake flow and shear-layer instability. However, the flow characteristics changed markedly beyond the lock-on flow regime ($F_R=1.0$) due to high-frequency forcing. At $F_R=1.6$, the mutual interactions between the vortices shed from both sides of the cylinder were not so strong. Thereby, the flow entrainment and momentum transfer into the wake center region were reduced. In addition, the size of the large-scale vortices decreased since the lateral extent of the wake was suppressed.
Effects of wake-passing orientation and frequency on the wake-induced boundary layer transition on a NACA0012 airfoil are investigated. The wakes are generated by rotating cylinders clockwise (CW) and counterclockwise (CCW) around the airfoil. Time- and phase-averaged streamwise mean velocities and turbulent fluctuations are measured with a single hot-wire probe. Wall skin frictions are estimated by the Computational Preston Tube Method (CPM). The pressure distribution on the airfoil is different according to the wake-passing orientation and frequency. Turbulent patches are generated in the laminar boundary layer due to the passing wake and the boundary layer becomes temporarily transitional. The transition process is significantly affected by the pressure gradient and the turbulent patches. For the receding wake, the turbulent patches propagate more rapidly than those for the approaching wake because adverse pressure gradient becomes larger. As the frequency increases, onset location of transition moles upstream and the boundary layer near the trailing edge becomes more transitional.
Stratified flow past a three-dimensional obstacle such as a sphere has been a long-lasting subject of geophysical, environmental and engineering fluid dynamics. In order to investigate the effect of the stratification on the near wake, in particular, the unsteady vortex formation behind a sphere, numerical simulations of stratified flows past a sphere are conducted. The time-dependent Navier-Stokes equations are solved using a three-dimensional finite element method and a modified explicit time integration scheme. Laminar flow regime is considered and linear stratification of density is assumed under Boussinesq approximation. The computed results include the characteristics of the near wake and the unsteady vortex shedding. With a strong stratification, the separation on the sphere is suppressed and the wake structure behind the sphere becomes planar, resembling that behind a vertical cylinder.
Many potential small wind turbine locations are near obstacles such as buildings and shelterbelts, which can have a significant, detrimental effect on the local wind climate. A neural network-based model has been developed which predicts mean wind speed and turbulence intensity at points in an obstacle's region of influence, relative to unsheltered conditions. The neural network was trained using measurements collected in the wakes of 18 scale building models exposed to a simulated rural atmospheric boundary layer in a wind tunnel. The model obstacles covered a range of heights, widths, depths, and roof pitches typical of rural buildings. A field experiment was conducted using three unique full scale obstacles to validate model predictions and wind tunnel measurements. The accuracy of the neural network model varies with the quantity predicted and position in the obstacle wake. In general, predictions of mean velocity deficit in the far wake region are most accurate. The overall estimated mean uncertainties associated with model predictions of normalized mean wind speed and turbulence intensity are 4.9% and 12.8%, respectively.
The near wake behind a sinusoidal cylinder has been investigated quantitatively using hot-wire anemometer and qualitative. The mean velocity and turbulence intensity were measured in streamwise and spanwise direction. The results show that the wake in the saddle plane has a longer vortex formation region and rapid reversed flow than that in nodal plane. The elongated vortex formation region of sinusoidal cylinder is related with drag reduction. In addition, the flow visualized with particle tracing method support the flow characteristics of sinusoidal cylinder measured by hot-wire.
자유전단류(Shear free flow) 가정을 이용한 수상함 항적모델을 잠수함에 적용 결과 잠수함 난류항적 지름은 $x^n,\;({\frac{1}{5}}{\leq}n\;<{\frac{1}{2}})$ 에 비례하였으며, 난류항적의 최소 확산을 가정할 때(${\sigma}=50.25$, 즉 ${\infty}\;x^{1/5}$인 경우), 길이65m, 폭 6.5m 속력 6kts 인 잠수함의 난류항적 반지름은 잠수함 함미로부터 1.2Km 후방에서 약 20m, 10Km 후방에서는 약 30m에 달하였고, 해수면에서 관측 가능한 잠수함 난류항적은 잔잔한 해상상태에서 잠수함 후방 약 15Km에 이르는 것으로 나타났으나 쇄파가 발생하는 악천후에서는 해수면에서 난류항적을 관측하기는 매우 제한되었다. 이는 적어도 서해와 같이 얕은 잠수함 작전환경에서는 잠수함 난류항적이 해수면에서 나타나는 것을 의미하며 SAR와 같은 탐지체계를 이용 시 탐색 가능함을 의미한다.
Phase averaged velocity fields in the near wake region behind a square cylinder have been (successfully) obtained using randomly sampled PIV data sets. The Reynolds number based on the flow velocity and the vertex height was 3,900. To identify the phase information, we examined the magnitude of circulation and the center of peak vorticity. The center of vorticity was estimated from lowpass filtered vorticity contours (LES decomposition) adopting a sub-pixel searching algirithm. Due to the sinusoidal nature of firculation which is closely related to the instantaneous vorticity, the location of peak voticity fits well with a sine curve of the circulation magnitude. Conditionally-averaged velocity fields represent the barman vortex shedding phenomenon very well within 5 degrees phase uncertainty. The oscillating nature of the separated shear layer and the separation bubble at the top surface are clearly observed. With the hot-wire measurements of Strouhal frequency, we found thats the convection velocity changes its magnitude very rapidly from 25 to 75 percent of the free stream velocity along the streamwise direction when the flow passes by the recirculation region.
Vortical structures in the near-wake region of a cubic obstacle are studied using numerical simulation. We consider flow between two parallel plates with a cube mounted on one of the plates. In the turbulent near-wake region of the flow, coherent structures such as hairpin vortices are found. Quasi-periodic behavior of the hairpin vortices is noticed; its dimensionless frequency at Re=1,000 is about 0.82 which is consistent with the result of Elavarasan of et al.'s experiment [Fluid Dyn. Research, 2000, 27] although their geometry is somewhat different from on. In the case of Re=3,500, the dimensionless frequency of the hairpin vortex is about 1.60. It is observed that the translating speed of the head of the hairpin vortex is lower than the streamwise mean velocity at that location. In the vicinity of the lower plate downstream of the cube, various length scales are identified thus less coherent. However, it is noticed that the vortical structures become gradually elongated downstream of the new reattachment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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