Characteristics of secondary vortices is topologically investigated in the near-wake region of a circular cylinder where the Taylor hypothesis does not hold. The three-dimensional flow fields in the wake-transition regime were measured by a time-resolved PIV. For the analysis in a moving frame of reference, the convection velocity of the Karman vortices is evaluated from the trajectory of vortex center which is defined as the centroid of the vorticity field. Then, a saddle point is obtained by applying the critical point theory. Science the distributions of fluctuating Reynolds stresses defined by triple-decomposition are closely related with the existence of secondary vortices. the physical meaning of them is explained in conjunction with vortex center and saddle point trajectories. Finally, the temporal evolution of streamwise vortex is also discussed.
Near-wake flow field of a circular cylinder is studied by means of a cinematic PIV system with high sampling rate and large internal memory block. Experiments are conducted in a closed-cycle water tunnel system and a cross-correlation algorithm in conjunction with FFT (Fast Fourier Transform) analysis and an offset correlation technique is used for vector processing. With the help of very high sampling frequency compared to the shedding frequency, it is possible to obtain phase-averaged information of the three-dimensional wake, even though the shedding is not forced but natural. Phase-locked vortical structures observed simultaneously from the spanwise and cross-stream planes are displayed in the wake-transition regime where fine-scale secondary vortices have a spanwise wavelength or around one diameter. Spatial relations and temporal evolutions of the primary Karman vortex and the secondary vortex are also discussed schematically.
The effects of free surface on wake behind a rotating propeller were investigated experimentally in a circulating water channel with the variation of water depth. Instantaneous velocity fields were measured using two-frame PIV technique at tow different blade phases and ensemble-averaged to investigate the phase-averaged flow structure in the wake region. For an isolated propeller, the flow behind the propeller is influenced by the propeller rotation and the free surface. The phase-averaged mean velocity fields show that the potential wake and the viscous wake are formed by the boundary layers developed on the blade surfaces. The interaction between the tip vortices and the slipstream causes the oscillating trajectory of tip vortices. Tip vortices are generated periodically and the slipstream contracts in the near-wake region. The presence of free surface affects the wake structure largely, when the water depth is less than 0.6D. The free surface modifies the vortex structure, especially the tip and trailing vortices and flow structure in slipstreams of the propeller wake behind X/D = 0.3.
The characteristics of flow around a rotating propeller were investigated using PIV technique. For each of four different blade phases of $0^{\circ},\;18^{\circ},\;36^{\circ}\;and\;54^{\circ}$four hundred instantaneous velocity fields were ensemble averaged to investigate the spatial evolution of the flow around a propeller. The phase-averaged mean velocity fields show that the viscous wake formed by the boundary layers developed on the blade surfaces and the slipstream contraction in the near-wake region. The out-of-plane velocity component and strain rate had large values at the locations of the tip and trailing vortices. The boundary layer developed along the ship hull bottom surface of the ship stern provides a strong turbulent shear layer, affecting the vortex structure in the propeller near-wake. As the flow develops in the downstream direction, the trailing vortices formed behind the propeller hub move upward slightly due to the presence of the hull wake and free surface. The turbulence intensity has large values around the tip and trailing vortices. As the wake moves downstream, the strength of the vorticity diminishes and the turbulence intensity increases due to turbulent diffusion and active mixing between the tip vortices and adjacent wake flow.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.42
no.5
s.143
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pp.427-434
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2005
The free surface influenced the wake behind a rotating propeller and its effects were investigated experimentally in a circulating water channel with the variation of water depth. Instantaneous velocity fields were measured using two-frame PIV technique and ensemble-averaged to study the phase-averaged flow structure in the wake region. For an isolated propeller, the flow behind the propeller is affected only by the propeller rotation speed, the leading on the blades and the proximity of the propeller to the free surface. The phase-averaged mean velocity fields show that the potential wake and the viscous wake developed on the blade surfaces. The interaction between the tip vortices and the slipstream causes the oscillating trajectory of tip vortices. The presence of the free surface greatly affected the wake structure, especially for propeller immersion depth of 0.6D. At small immersion depths, the free surface modified the tip and trailing vortices and the slipstream flow structure downstream of X/D = 0.3 in the propeller wake.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.11
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pp.1540-1548
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2000
Near-wake flow field downstream of a circular cylinder in the wake-transition regime where fine-scale secondary vortices have a spanwise wavelength of around one diameter has been studied by means of phase-averaging from cinematic PIV data. A cross-correlation algorithm in conjunction with the FFT(Fast Fourier Transform)analysis and an offset correlation technique is used for obtaining the velocity vectors. Which the help of very high sampling rate compared to the shedding frequency, it is possible to obtain phase-averaged flow fields although the shedding is not forced but natural. Phase -locked three-dimensional vortical structures are reconstructed form the phase-averaged data in one x-y(cross-sectional) and several z-x(spanwise-streamwise)planes. In this process of phase-averaging in a z-x plane, a technique to freeze the secondary vortices relative to the centerline is applied. The formation process of the secondary vortices is shown by considering spatial relations between the primary Karman and the secondary vortices and their temporal evolutions.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.26
no.5
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pp.573-580
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2002
Animation and time-resolved analysis of the wake characteristics of 2-D bluff body flows were examinated by applying the multi-vision PIV to square cylinders(three angles of attack: $0^{circ}, 30^{circ} and 45^{\circ}$) and circular cylinders(three rotating speeds: 0rpm, 76rpm, 153rpm) submerged within a circulating water channel $(Re=10^4)$, The macroscopic shedding patterns and their dominant frequencies were discussed in terms of instantaneous velocity, vorticity and turbulent quantities such as turbulent intensity, turbulent kinetic energy and three Reynolds stresses. Particularly the time-averaged distribution of turbulent intensity 'islands' where their peak magnitudes were focused always small regions behind the bodies without noticeable spatial migration were particularly discovered in all cases. And the dominant frequencies of the turbulent quantities in the wake regions were two times larger than those of the velocity and vorticity.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.2
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pp.362-373
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2002
A stereoscopic PIV (SPIV) measurement system based on the translation configuration was developed and applied to the flow behind a forward-swept axial-fan. Measurement of three orthogonal velocity components is essential for flow analysis of three-dimensional flows such as flow around a fan or propeller. In this study, the translation configuration was adopted to calculate the out-of-plane velocity component from 2-D PIV data obtained from two CCD cameras. The error caused by the out-of-plane motion was estimated by direct comparison of the 2-D PIV and 3-D SPIV results that measured from the particle images captured simultaneously. The comparison shows that the error ratio is relatively high in the region of higher out-of-plane motion near the axial fan blade. The turbulence intensity measured by the 2-D PIV method is bigger by about 5.8% in maximum compared with that of the 3-D SPIV method. The phase-averaged velocity field results show that the wake behind an axial fan has a periodic flow structure with respect to the blade phase and the characteristic flow structure is shifted downstream in the next phase.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.41
no.4
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pp.30-37
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2004
Flow characteristics of the inflow ahead of a rotating propeller attached to a container ship model were investigated using a two-frame PIV (Particle Image Velocimetry) technique. Ensemble-averaged mean velocity fields were measured at four different blade phases. The mean velocity fields show the acceleration of inflow due to the rotating propeller and the velocity deficit in the near-wake region. The axial velocity distribution of inflow in the upper plane of propeller is quite different from that in the lower plane due to the thick hull boundary layer. The propeller inflow also shows asymmetric axial velocity distribution in the port and starboard side. As the inflow moves toward the propeller, the effect of phase angle variation of propeller blade on the inflow becomes dominant. In the upper plane above the propeller axis the inflow has very low axial velocity and large turbulent kinetic energy, compared with the lower plane. The boundary layer developed along the bottom surface of stern hull forms a strong shear layer affecting vortex structure of the propeller near-wake.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.49
no.5
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pp.410-415
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2012
An experimental study is carried out to investigate the near-wake characteristics of a NACA 0018 foil with a flat plate. Two-frame grey-level cross correlation PIV method is used to measure the local flow characteristic around a pitch damping foil to control the vertical motion of high speed crafts in a circulating water channel. The analysis also includes angles of attack 10 and 20 degrees respectively. Reynolds number $Re{\fallingdotseq}3.5{\times}10^4$ based on the chord length(C=100mm) of NACA0018 has been applied during the whole experiments. The distance between the foil and the flat plate is D/C=0.5, 1.0 and 1.5 respectively. The channel effect according as the distance between the foil and the flat plate has a close relation with the velocity distributions around the foil. In the wake of 20-degree of attack, the complex turbulent flow and a thick boundary layer are formed due to the processes of vortex generation and dissipation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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