Injection of microbubbles within the turbulent boundary layer has been investigated for several years as a method to achieve drag reduction. However, the physical mechanism of this phenomenon is not yet fully understood. Experiments in a channel flow for single phase (water) and two phase (water and microbubbles) flows with various void fraction values are studied for a Reynolds number of 5128 based on the half height of the channel and bulk velocity. The state-of-the art Particle Tracking Velocimetry (PTV) measurement technique is used to measure the instantaneous full-field velocity components. Comparisons between turbulent statistical quantities with various values of local void fraction are presented to elucidate the influence of the microbubbles presence within the boundary layer. A decrease in the Reynolds stress distribution and turbulence production is obtained with the increase of microbubble concentration. The results obtained indicate a decorrelation of the streamwise and normal fluctuating velocities when microbubbles are injected within the boundary layer.
본 연구에서는 2차원 경사충돌분류에 대한 실험을 수행하였고, 이 결과를 수] 치해석에 의한 계산치와 비교하였다. 실험에서는 난류특성을 구명하기 위하여 열선 풍속계를 사용해 충돌각의 변화에 따른 평균속도, 각 난류응력성분, 압력등을 측정하 였다.수치해석을 위한 난류모델로는 표준 K-.epsilon.모델을 사용하였다.
An experimental study is made of turbulent shear flows in a nearly two-dimensional 90.deg. curved duct by using the hot-wire anemometer. The Reynolds normal and shear stresses, triple velocity products, integral length scales, Taylor micro length scales and dissipation length scales are measured and analyzed. For a positive shear at the inlet, the afore-mentioned turbulence quantities are all suppressed. However, when the inlet shear flow is negative, they are augmented, i.e., the convex curvature suppresses the turbulence whereas the concave curvature augments it. It is found that the curvature effects are rather sensitive to the triple velocity products than the Reynolds stresses. The evolution of turbulence under the curvature with the different shear conditions is well described by the modified curvature parameter S' and the non-dimensional development time ${\tau}$.'
The elliptic relaxation model(ERM) with the inhomogeneous correction intermediate between near wall with and far from the wall. The source of the ERM usually was appled quasi-homogeneous pressure-strain correlation in homogeneous situations. This formulation was easily applied to the linear model or non-linear pressure-strain model. It is observed that the boundary conditions of the relaxation operator dominate the homogeneous pressure-strain model in the near wall region. While looking at high-Reynolds number flows, it was found necessary to modify the effect of the relaxation operator throughout the log region by accounting for gradients of the flatness variable and turbulent length scales. These effects are kinematic blocking of the wall normal velocity fluctuation and pressure reflections from the surface. This model is wall distances and unit vectors which make the model applicable to flows boundary by a complex geometry. Inhomogeneous correction model is computed inertial and non-inertial channel flow These are compared DNS(Kim et at., Kristofffrsen & Andersson) for channel flow. The present model could be predicted well for rotating flows.
The turbulent flow characteristics in the channel flow are investigated using large eddy simulation(LES) of FDS code, built in NIST(USA), in which the near-wall flow is solved by Werner-Wengle wall function. The periodic flow condition is applied in streamwise direction to get the fully developed turbulent flow and symmetric condition is applied in lateral direction. The height of the channel is H=1m, and the length of the channel is 6H, and the lateral length is H. The total grid is $32{\times}32{\times}32$ and $y^+$ is kept above 11 to fulfill the near-wall flow requirement. The Smagorinsky model is used to solve the sub-grid scale stress. Smagorinsky constant $C_s$ is 0.2(default in FDS). Three cases of Reynolds number(10,700, 26,000, 49,000.), based on the channel height, are analyzed. The simulated results are compared with direct numerical simulation(DNS) and particle image velocimetry(PIV) experimental data. The linear low-Re eddy viscosity model of Launder & Sharma and non-linear low-Re eddy viscosity model of Abe-Jang-Leschziner are utilized to compare the results with LES of FDS. Reynolds normal stresses, Reynolds shear stresses, turbulent kinetic energys and mean velocity flows are well compared with DNS and PIV data.
A numerical study is carried out to analyze the steady three-dimensional turbulent flow and convective heat transfer in a staggered pin-fin array with diamond shaped elements at various geometrical configurations. Steady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and energy equation are solved using a finite volume based solver. Shear stress transport (SST) model is used as turbulence closure. The computational domain is composed of one pitch of pin-fin displacement with periodic boundary conditions on the surfaces normal to the streamwise direction and the cross-streamwise direction. The numerical results for Nusselt number and friction factor are validated with experimental results. The effects of pin angle, pin height and pitch on Nusselt number, friction factor and efficiency index are investigated.
A similarity solution of the Navier-Stokes equation for the axisymmetric stagnation flow near a plane wall coated with a magnetic fluid of uniform thickness is constructed. The shape functions representing the flow in two (magnetic and normal) fluid layer are determined from a third order boundary value problem, which is solved by the Runge-Kutta method with two shooting parameters. Features of the flow including streamline pattern and interface velocity are investigated for the varying values of density ratio, viscosity ratio, and Reynolds number. The results for the interface and wall shear stress, boundary layer and displacement thickness are also presented.
Swirling turbulent flows downstream of an abrupt axisymmetric expansion in a pipe are analyzed numerically by a second-order turbulence closure. Predictions for the flows without swirl and with strong swirl are obtained. The governing differential equations are discretized by finite volume approach. The results show that the on-axis recirculation induced by the strong swirl is correctly reproduced. The predictions for mean velocity components and turbulent normal stresses agree well with experimental data far downstream of expansion, but show large discrepancies in wall-bounded recirculation zone.
Numerical and wind tunnel simulations of pollutant dispersion around rectangular obstacles with five aspect ratios have been conducted in order to identify the effects of flow patterns induced by buildings on plume dispersion in the near wake of buildings. An emission from a low source located upwind of obstacles was used in this simulation. The local flow patterns and concentrations around a cubical obstacle were initially investigated using three RANS turbulence models, (the standard $k-{\varepsilon}$, Shear Stress Transport (SST), Reynolds-Stress RSM turbulence model) and also using Large-eddy simulation (LES). The computed concentrations were compared with those measured in the wind tunnel. Among the three turbulence models, the SST model offered the best performance and thus was used in further investigations. The results show, for normal aspect ratios of width to height, that concentrations in the near wake are appreciably affected because of plume capture by the horseshoe vortex and convection by the vertical vortex pairs. These effects are less important for high aspect ratios. Vertical vortex pairs present a strong ability to exchange mass vertically and acts efficiently to reduce ground-level concentrations in the near wake.
Direct numerical simulations were performed to analyze the effects of time-periodical blowing through a spanwise slot on a turbulent boundary layer. The blowing velocity was varied in a cyclic manner from 0 to 2A$^{+}$(A$^{+}$ =0.25, 0.50 and 1.00) at a fixed blowing frequency of f$^{+}$=0.017. The effect of steady blowing (SB) was also examined, and the SB results were compared with those for periodic blowing (PB). PB reduced the skin friction near the slot, although to a slightly lesser extent than SB. PB was found to generate a spanwise vortical structure in the downstream of the slot. This vortex generates a reverse flow near the wall, thereby reducing the wall shear stress. The wall-normal and spanwise turbulence intensities under PB are increased as compared to those under SB, whereas the streamwise turbulent intensity under PB is weaker than that under SB. PB enhances more energy redistribution than SB. The periodic response of the streamwise turbulence intensity to PB is propagated to a lesser extent than that of the other components of the turbulence intensities and the Reynolds shear stress.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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