This paper presents some fundamental results on the dynamics of the periodic Karman wake behind a circular cylinder. The wake is treated like a dynamical system. External forcing is then introduced and its effect investigated. The main result obtained is the following. Perturbation of the wake, by controlled cylinder oscillations in the flow direction at a frequency equal to the Karman vortex shedding frequency, leads to instability of the Karman vortex structure. The resulting wake structure oscillates at half the original Karman vortex shedding frequency. For higher frequency excitation the primary pattern involves symmetry breaking of the initially shed symmetric vortex pairs. The Karman shedding phenomenon can be modeled by a nonlinear oscillator. The symmetrical flow perturbations resulting from the periodic cylinder excitation can also be similarly represented by a nonlinear oscillator. The oscillators represent two flow modes. By considering these two nonlinear oscillators, one having inline shedding symmetry and the other having the Karman wake spatio-temporal symmetry, the possible symmetries of subsequent flow perturbations resulting from the modal interaction are determined. A theoretical analysis based on symmetry (group) theory is presented. The analysis confirms the occurrence of a period-doubling instability, which is responsible for the frequency halving phenomenon observed in the experiments. Finally it is remarked that the present findings have important implications for vortex shedding control. Perturbations in the inflow direction introduce 'control' of the Karman wake by inducing a bifurcation which forces the transfer of energy to a lower frequency which is far from the original Karman frequency.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.12
s.243
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pp.1344-1351
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2005
Three-dimensional, time-dependent solutions of fluid flow past a circular cylinder with a periodic array of circular fins are obtained using an accurate and efficient spectral multidomain methodology. A Fourier expansion with a corresponding uniform grid is used along the circumferential direction. A spectral multidomain method with Chebyshev collocation is used along the r-z plane to handle the periodic array of circular fins attached to the surface of the cylinder. Unlike the flow past a circular cylinder, Second instabilities like mode A and mode B are not found in the Reynolds number range $100\~500$. It is found that three-dimensional instability of vortical structures is suppressed due to the presence of fin. The present numerical solutions report the detailed information of flow quantities near wake of finned cylinder.
While the research for flow over a circular cylinder has been actively carried out up to the present, it has been known that the flow has not been clarified even now. Various complex flow and aero-acoustic characteristics exist around a circular cylinder such as flow separation, wake and pressure wave propagation. In this paper, research was carried out for wake flow and aeroacoustics over a circular cylinders by using high order, high resolution techniques that are used in two dimensional aero- acoustic analysis. OpenMP parallel processing method was used. For the numerical result, the periodic characteristic of Strouhal Number due to vortex shedding was comparatively analyzed with other experiment values and two dimensional numerical results.
An immersed boundary method(IBM, Kim et al.(2001)) for simulating flows over complex geometries is applied to computation of three-dimensional Floquet stability of a periodic wake. Floquet stability analysis is employed to extract different modes of three-dimensional instability. To verify the present method, a fully-resolved Floquet stability calculation for flow past a circular cylinder is considered. There are two different instability modes with long(mode A) and short (mode B) spanwise wavelengths for the periodic wake of a circular cylinder. The critical Reynolds number and the most unstable spanwise wavelengths of modes A and B are computed using the present method, and compared with other authors' results currently available.
Kim, Gyeong-Cheon;Yun, Sang-Yeol;Kim, Sang-Gi;Bu, Jeong-Suk
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.7
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pp.915-922
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2001
A new phase-average technique using instantaneous velocity fields obtained by a PIV method has been developed. The technique tracks vorticity centers and estimates the value of circulation for a chosen domain. The locations of vortex-centers and the magnitudes of circulation are matched together then showing a sine wave feature due to the periodic vortex shedding from the circular cylinder. Ensemble averaged and phase averaged velocity fields are successfully measured for the circular cylinder wake where Reynolds number is 3900 based on free stream velocity and cylinder diameter. The convection velocities of the vortices center and the vortex shedding frequency were measured by a single hot-wire probe.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.24
no.4
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pp.486-493
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2000
Flow mechanism around air flow sensor of electronic control engine, especially Karman vortex type, was investigated experimentally. The two-dimensional flow characteristics in the intermediate wake region behind a triangular vortex-generator respectively apex forward facing, apex backward facing and vertical flat plates following after apex forward facing(i.e vortex-flowmeter) were investigated at Reynolods number of $ReH=1.4\times10^4$; H is the width of a triangular vortex-generator. The vortex shedding frequency for wide Reynolds number from $7\times10^3$ to $2.1\times10^4$ was also surveyed. The velocity component was measured by X-type hot wire anemometer at 8H downstream from the bluff body. The coherent structure of the intermediate wake behind a bluff body was obtained by conditional phase average technique. As a result, it was verified that the vertical flat plates following after apex forward triangular vortex-generator make not only more linear relation between free stream velocity and vortex shedding frequency but also more periodic vortex in the vicinity of the center of wake.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2004.11a
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pp.210-211
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2004
The effect of oscillating on the unsteady laminar flow past a circular cylinder is numerically investigated in the present study. Our study is to analyze the vortex formation behind a circular cylinder for different rotary oscillation conditions. And then we are study to portray the unsteady dynamics of wake flows. We decide lock-on region by observing the phase switching phenomena We classify the vortex formation patterns in the primary lock-on region The present study is to identify the quasi-periodic state around lock-on region. At the boundary between lock-on and non-lock-on the shedding frequency is bifurcated. After the bifurcation, one frequency follow the forcing frequency ($S_f$) and the other returns to the natural shedding frequency ($St_0$). In the quasi-periodic state, the variation of magnitudes and relevant phase changes of $C_L$ with forcing phase are examined.
Park, Jong-Chun;Moon, Jin-Kuk;Chun, Ho-Hwan;Suh, Sung-Bu
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.42
no.4
s.142
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pp.368-378
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2005
The effects of rotary oscillation on the unsteady laminar flow past a circular cylinder. are numerically investigated in the present study. The numerical solutions for the 20 Wavier-Stokes equation are obtained using a finite volume method Tn the framework of an overlapping grid system. The vortex formation behind a circular cylinder and the hydrodynamics of wake flows for different rotary oscillation conditions are analyzed from the results of numerical simulation. The lock-on region is defined as the region that the natural shedding frequency due to the Karmann Vortex shedding and the forcing frequency due to the forced oscillating a cylinder are nearly same, and the quasi-periodic states are observed around that region. At the intersection between lock-on and non-lock-on region the shedding frequency is bifurcated. After the bifurcation, one frequency fellows the forcing frequency($S_f$) and the other returns to the natural shedding frequency($St_0$). in the quasi-periodic states, the variation of magnitudes and relevant phase changes of $C_L$ with forcing phase are examined.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.10
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pp.1417-1426
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2001
Turbulent flow characteristics in the near wake of a square cylinder have been studied experimentally by using a Digital PIV method. Experiments are performed at the Reynolds numbers of 1600 and 3900 based on the free-stream velocity and the square height. The ensemble averaged turbulence statistics are acquired from 2030 realizations of instantaneous fluctuating velocity field after the conventional Reynolds decomposition. The differences in turbulent intensity and Reynolds shear stress profiles fur both oases indicate that the effect of Reynolds number seems to be descernible mainly due to the occurrence of transition in the separated shear layer. Because of the periodic nature of vortex shedding process, transverse velocity fluctuations contribute dominantly , to turbulent kinetic energy distribution. A comparison with previous LDV data obtained at much higher Reynolds number shows a fairly good agreement each other. It turns out that the effect of Reynolds number diminishes as increasing Reynolds number, which is a well-known feature of a sharp-edged bluff body wake. The streamwise variation of turbulence intensities are compared with those from a circular cylinder along the centerline at the same Reynolds number. The overall magnitudes and the decay rates of turbulence intensities are quite similar, but some differences are noticeble especially in the transverse intensity variation.
The flow past a circular cylinder forced to vibrate transversely is numerically simulated by solving the two-dimensional Navier-Stokes equations modified by the vibration velocity of a circular cylinder at a Reynolds number of 164. The higher-order finite difference scheme is employed for the spatial discretization along with the second order Adams-Bashforth and the first order backward-Euler time integration. The calculated cylinder vibration frequency is between 0.60 and 1.30 times of the natural vortex-shedding frequency. The calculated oscillation amplitude extends to 25% of the cylinder diameter and in the case of the lock-in region it is 60%. It is made clear that the cylinder oscillation has influence on the wake pattern, the time histories of the drag and lift forces, power spectral density and phase diagrams, etc. It is found that these results include both the periodic (lock-in) and the quasi-periodic (non-lock-in) state. The vortex shedding frequency equals the driving frequency in the lock-in region but is independent in the non-lock-in region. The mean drag and the maximum lift coefficient increase with the increase of the forcing amplitude in the lock-in state. The lock-in boundaries are also established from the present direct numerical simulation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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