In this paper, we report the experimental results for the flow pattern and the material transport around a cavity subject to a sinusoidal external flow at the far region to ward the open side of the cavity. A tilting mechanism is used to generate a oscillatory flow inside a shallow rectangular container having a cavity at one side. The surface flow visualization is performed to obtain the unsteady behavior of vortices generated at two edges situated at the entrance of the cavity. It was found that at the period 4.5 sec., the behavior of the vortices is asymmetric, and there exists a steady residual flow in the cavity. The bottom flow patterns are also visualized. There are two regions outside of the cavity where the bottom fluid particles concentrate. The material transport in this flow model is very peculiar; fluid particles in the cavity flows outward through the passage along the walls starting from the edges, and particles in the outer region approach the cavity from the central region.
An approximate analytical method has been developed for estimating hydrodynamic forces acting on oscillating inner cylinder in concentric annulus. When the rigid inner cylinder executes translational oscillation, fluid inertia and damping forces on the oscillating cylinder are generated by unsteady pressure and viscous skin friction. Considering the dynamic-characteristics of unsteady viscous flow and the added mass coefficient of inviscid fluid, these hydrodynamic forces including viscous effect are dramatically simplified and expressed in terms of oscillatory Reynolds number and the geometry of annular configuration. Thus, the viscous effect on the forces can be estimated very easily compared to an existing theory. The forces are calculated by two models developed for relatively high and low oscillatory Reynolds numbers. The model for low oscillatory Reynolds number is suitable for relatively high ratio of the penetration depth to annular space while the model for high oscillatory Reynolds number is applicable to the case of relatively low ratio. It is found that the transient ratio between two models is approximately 0.2~0.25 and the forcea are expressed in terms of oscillatory Reynolds number, explicity. The present results show good agreements with an existing numerical results, especially for high and low penetration ratios to annular gap.
Transition of flows in natural convection in a horizontal cylindrical annulus is investigated for the fluid with Pr=0.2. The unsteady streamfunction-vorticity equation is solved with finite difference method. As Rayleigh number is increased, the steady crescent-shaped eddy flow bifurcates to a time-periodic flow with like-rotating eddies. After the first Hopf bifurcation, however, a reverse transition from oscillatory to a steady flow occurs by the flow pattern variation. Hysteresis phenomenon occurs between the solution branches of up-scan and down-scan stages, and dual solutions with one steady and one oscillatory flow are found. Overall Nusselt of the flows at the flows at the down-scan stage is greater than that at the up-scan stage.
한국가시화정보학회 2004년도 Proceedings of 2004 Korea-Japan Joint Seminar on Particle Image Velocimetry
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pp.125-134
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2004
The improvement of artificial respiration method has brought about the decrease in mortality of pulmonary diseases patients. Various respiratory curative methods, inclusive of HFOV (High Frequency Oscillatory Ventilation), have been developed for more effectual and less harmful management of acute respiratory failure. However, the mechanism of gas transfer and diffusion in a bronchiole has not yet been clarified in detail. As a first approach to the problem, we measured oscillatory flows in a Y-shaped micro-channels as bronchiole model by micro Particle Image Velocimetry(micro PIV). In order to establish the fundamental technique of PIV measurements on oscillatory air flow in a micro-channel, we used about 500-nm-diameter incense smoke particles, a diode laser, a high speed camera including an objective lens, and a HFOV, which is effective technique for medical care of pulmonary disease patients, especially, infants. The bronchiole model size is that parent tube is $500\{mu}m$ width and $500\{mu}m$ depth, and daughter tubes are $450\{mu}m$ width and $500\{mu}m$ depth. From this study made on the phenomenon of fluid in micro size bronchus branch of a lung, we succeeded to get time series velocity distribution in a micro scale bronchial mode. The experimental results of velocity distribution changing with time obtained by micro PIV can give fundamental knowledge on oscillatory airflow in micro-channel.
The present study investigates flow dynamics between two dimensional compliant plates under sinusoidal flow conditions in order to understand influence of wall motion, impedance phase angle (time delay between pressure and flow waveforms), and non-Newtonian fluid on wall shear stress using computational fluid dynamics. The results showed that wall motion induced additional terms in the streamwise velocity profile and the pressure gradient. These additional terms due to wall motion reduced the amplitude of wall shear stress and also changed the mean wall shear stress. The trend of the changes was very different depending on the impedance phase angle. As the impedance phase angle was changed to more negative values, the mean wall shear stress decreased while the amplitude of wall shear stress increased. As the phase angle was reduced from 0°to -90°under $\pm$4% wall motion, the mean wall shear stress decreased by 12% and the amplitude of wall shear stress increased by 9%. Therefore, for hypertensive patients who have large negative phase angles, the ratio of amplitude and mean of the wall shear stress is raised resulting in a more vulnerable state to atherosclerosis according to the low and oscillatory shear stress theory. We also found that non-Newtonian characteristics of the blood protect atherosclerosis by decreasing the oscillatory shear index.
In the present study, flow characteristics of turbulent oscillatory flow in an oscillator connected to square-sectional $180^{\circ}$ curved duct are investigated experimentally. In order to investigate wall shear stress and pressure distributions, the experimental studies for air flows we conducted in a square-sectional $180^{\circ}$ curved duct by using the LDV system with the data acquisitions and the processing system. The wall shear stress at bend angle of the $150^{\circ}$ and pressure distribution of the inlet (${\phi}=0^{\circ}$) to the outlet (${\phi}=180^{\circ}$) by $10^{\circ}$ intervals of the duct are measured. The results obtained from the experiment are summarized as follows : wall shear stress values in the inner wall we larger than those in an outer wall, except for the phase angle (${\omega}t/{\pi}/6$) of 3, because of the intensity of secondary flow. The pressure distributions are the largest in accelerating and decelerating regions at the bend angle(${\phi}$) of $90^{\circ}$ and pressure difference of inner and outer walls is the largest before and after the ${\phi}=90^{\circ}$.
Mixed convection in a horizontal annulus is considered, and the effect of a forced flow on the natural convective flow is investigated. The inner cylinder is hotter than the outer cylinder, and the outer cylinder is rotating with constant angular velocity with its axis at the center of the annulus. The unsteady streamfunction-vorticity equation is solved with a finite difference method. For the fluid with Pr=0.7, there appear flows with two eddies, one eddy, or no eddy according the Rayleigh and Reynolds numbers. The rotation of the outer cylinder reduces the heat transfer rate at the wall of the annulus. The oscillatory multicellular flow of a low Prandtl number fluid with Pr=0.01 can be effectively suppressed by the forced flow.
This study investigates the oscillatory thermal convection of a fluid with Pr=0.02 in a wide-gap horizontal annulus with constant heat flux inner wall. When Pr=0.02, dual steady-state flows are not found. After the first Hopf bifurcation from a steady to a time-periodic flow, five successive period-doubling bifurcations are recorded before chaos. The power spectrum shows the $period-2^4\;and\;2^5$ flows clearly, and a window of period $3{\times}2^3$ flow is found in the chaotic regime. The approximate value of the Feigenbaum number for the last three period-doubling bifurcations is 4.76. The transition route to chaos of the present simulations is consistent with the period-doubling route of Feigenbaum.
Hypoplastic left heart syndrome is currently the most lethal cardiac malformation of the newborn infant. Survival following a Norwood operation depends on the balance between systemic and pulmonary blood flow, which is highly dependent on the fluid dynamics through the interposition shunt between the two circulations. The purpose of this study is an optimization of the systemic-to-pulmonary artery shunt. In this study, We used computational fluid dynamic(CFD) models to determine the velocity profile in a systemic-to-pulmonary artery shunt and suggested a simplified method of calculating the blood flow in the shunt based on Ultrasound systems. We analyzed the flow characteristic variations and oscillatory shear index(OSI) due to the anastomosis angle and shunt diameter changing. Four different CFD models were constructed with the shunt sizes ranging from 3 to 3.5mm. The angle between the brachiocephalic trunk(BCT) and the shunt were $30^{\circ}$ and $45^{\circ}$, respectively. When the diameter is 3.0 mm, the oscillatory shear index decreased by 1.2% at $30^{\circ}$ as opposed to at $45^{\circ}$. When the diameter is 3.5 mm, it increased by 18% more at $30^{\circ}$ as opposed to at $45^{\circ}$. When the joint angle is $30^{\circ}$ and the diameter is 3.0 mm, the oscillatory shear index decreased by 4.1% in comparison with the 3.5 mm diameter. When the angle is $45^{\circ}$ and the diameter is 3.0 mm, the index increased by 14.6% in comparison with the 3.5 mm diameter.
To understand the large amplitude oscillatory shear (LAOS) behavior of complex fluids, we have investigated the flow behavior of a network model in the LAOS environment. We applied the LAOS flow to the model proposed by Vaccaro and Marrucci (2000), which was originally developed to describe the system of associating telechelic polymers. The model was found to predict at least three different types of LAOS behavior; strain thinning (G' and G" decreasing), strong strain overshoot (G' and G" increasing followed by decreasing), and weak strain overshoot (G' decreasing, G" increasing followed by decreasing). The overshoot behavior in the strain sweep test, which il often observed in some complex fluid systems with little explanation, could be explained in terms of the model parameters, or in terms of the overall balance between the creation and loss rates of the network junctions, which are continually created and destroyed due to thermal and flow energy. This model does not predict strain hardening behavior because of the finitely extensible nonlinear elastic (FENE) type nonlinear effect of loss rate. However, the model predicts the LAOS behavior of most of the complex fluids observed in the experiments.he experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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