Steady and unsteady flows between rotating cylinders are of interest on lubrication, convective heat transfer and flow-induced vibration in large rotating machinery. Steady rotating flow is generated by rotating cylinder with constant velocity while the unsteady rotating flow by oscillating cylinder with homogeneoysly oscillating velocity. An analytical method is developed based on the simple radial coordinate transformation for the steady and unsteady rotating flows in concentric annulus. The governing equations are simplified from Navier-Stokes equatins. Considering the skin friction based on the radial variation of circumferential flow velocity, the torques acting on the fixed and the rotating cylinder are evaluated in terms of added-inertia and added-damping torque coefficients. The coefficients are found to be influenced by the oscillatory Reynolds number and the radius ratio of two cylinders; however, the effect of the oscillatory Reynolds number on the coefficients is minor in case of relatively low radius ratio.
Numerical analysis has been carried out for two-dimensional steady and unsteady mixed convection in the annulus between co-rotating horizontal cylinders with a heated inner cylinder. The ratio of annulus gap($\sigma$) is taken from 1 to 10 and the order of mixed-convection parameter B(=Gr/(1+Re)$^2$) varies from 10$^4$to $10^0$. The flow patterns over this parameter range are steady multicellular, oscillatory multicellular or steady unicellular. The addition of co-rotating of both cylinders stabilizes the flow in the annulus and weakens the unsteadiness. Even in the large values of rotating parameter such as of $10^0$/($\sigma$=2) and 10$^2$($\sigma$=10), the flow pattern becomes asymptotic to the steady unicellular flow, like as in the rigid-body rotating flow.
A numerical method based on the spectral collocation method is developed for the steady rotating flows in eccentric annulus. Steady flows between rotating cylinders are of interest on lubrication in large rotating machinery. Steady rotating flow is generated by the rotating inner cylinder with constant angular velocity. The governing equations for laminar flow are simplified from Navier-Stokes equations by neglecting the non-linear convection terms. Integrating the pressure round the rotating cylinder based on the half Sommerfeld method, the load on the cylinder is evaluated with eccentricity. The attitude angle and Sommerfeld variable are calculated from the load. It is found that those values are influenced by the eccentricity. The attitude and Sommerfeld reciprocal are decreased with eccentricity. As expected, the effect of the annular gap ratio on them is negligible.
Natural convection in a wide-gap horizontal annulus is considered, and the transition of flows from steady to oscillatory convection is investigated for the fluid with Pr=0.1. The unsteady streamfunction-vorticity equation is solved with finite difference method. As Rayleigh number is increased, the steady crescent-shaped flow bifurcates to a time-periodic flow with like-rotating eddies. And afterwards, a transition to an oscillatory multicellular flow with a counter-rotating eddy on the top of the annulus occurs. A transition from steady to an oscillatory flow occurs, but dual solutions and hysteresis phenomena are not observed.
The steady hydromagnetic flow due to a rotating disk is studied with heat transfer considering the ion slip. The governing equations are solved numerically using finite differences. The results show that the inclusion of the ion slip has important effects on the velocity distribution as well as the heat transfer.
The vibrational system of this study is consisted of a rotating cantilever pipe and the flow in the pipe. The equation of motion is derived by using Lagrange equation. The influences of the rotating angular velocity and the velocities of fluid flow in the pipe have been studied on the dynamic characteristics of a rotating cantilever pipe by numerical method. The tip-amplitude of axial vibration and maximum tip-deflection of axial direction of cantilever pipe are directly proportional to the velocity of fluid and rotating angular velocity of pipe In the steady state. respectively The bending tip-amplitude of cantilever pipe is inversely proportional to the velocity of fluid in the steady state. When the rotating angular velocity is 5 rad/s, the velocity of fluid increase with increasing the natural frequency of axial vibration at second mode and third mode, but the natural frequency axial direction of first mode is decreased. The natural frequency of lateral direction is decreased due to increase of the rotating angular velocity. It identifies that the Influence of velocity of fluid give much variation lower mode of vibration in lateral direction. And the Influence of velocity of fluid give much variation higher mode of vibration in axial direction.
The rotating inner cylinder executes a periodic translational motion in concentric annulus while the outer one is stationary. In the study of flow-induced vibrations and relaxed instabilities, it is of interest to evaluate the fluid-dynamic forces acting on the rotating inner cylinder. In the present work, the governing equations for the confined flow are expressed as Navier-Stokes equations, including the steady and unsteady terms. The fluid parameters for steady flow generated by the rotating cylinder are determined analytically while the unsteady ones by the oscillatory motion are evaluates by a numerical method based on the spectral collocation method. In order to validate the numerical approach, the numerical results are compared wish the analytical ones given by existing theories, for simple cases where the both approaches are applicable. Good agreement was found between the results. It is found the effects of the Reynolds number, defined by rotating velocity, on the fluid-dynamic forces are important for the case of relatively low oscillatory Reynolds number, defined by oscillatory frequency : j.e., in case of $Re_\omega\gg Re_S$.
The vibrational system of this study is consisted of a rotating cantilever pipe conveying fluid and the tip mass. The equation of motion is derived by using the Lagrange equation. The influences of the rotating angular velocity and the velocity of fluid flow in a cantilever pipe have been studied on the dynamic characteristics of a rotating cantilever pipe by the numerical method. The effects of a tip mass on the dynamic response of a cantilever pipe are also studied. The tip-amplitude and maximum tip-deflection of each direction are directly proportional to the tip mass of the cantilever pipe in steady state. It identifies that the influence of the fluid velocity and the rotating angular velocity of the cantilever pipe give much variation the bending tip-displacement of steady state and the bending tip-displacement of non-steady state, respectively. The influence of the rotating angular velocity gives much the deflection of axial direction.
Numerical simulations are conducted for laminar flow past a sphere rotating In the transverse direction, in order to investigate the effect of the rotation on the characteristics of flow over a sphere. The Reynolds numbers considered are Re=100, 250 and 300 based on the free-stream velocity and the sphere diameter, and the rotational speeds are in the range of $0{\leq}{\omega}{\leq}1$, where ${\omega}^{\ast}$ is the maximum velocity on the sphere surface normalized by the free-stream velocity. At ${\omega}^{\ast}=0$ (without rotation), the flow past the sphere experiences steady axisymmeoy, steady planar-symmetry and unsteady planar-symmetry, respectively, at Re=100, 250 and 300. However, with rotation, the flow becomes planar-symmetric for all the cases investigated and the symmetry plane is orthogonal to the axis of the rotation. The flow is also steady or unsteady depending on both the Reynolds number and the rotational speed, and the vortical structures behind the sphere are significantly modified by the rotation. For example, at Re=300, hairpin vortices completely disappear in the wake at ${\omega}^{\ast}=0.4\;and\;0.6$, and at ${\omega}^{\ast}=1$ vortical structures of a high frequency are newly generated due to the shear layer instability. It is also shown that with increasing rotational speed, the time-averaged drag and lift coefficients increase monotonically.
A numerical method is presented which can solve the steady flow and heat transfer from a rotating and heated circular cylinder in a uniform flow for a range of Reynolds number form 5 to 100. The steady response of the flow and heat transfer is simulated for various spin parameter. The effects on the flow field and heat transfer characteristics known as lift, drag and heat transfer coefficient are analyzed and the streamlines, velocity vectors, vorticity, temperature distributions around it were scrutinized numerically. As spin parameter increases the region of separation vortex becomes smaller than upper one and the lower region will vanish. The lift force, a large part is due to the pressure force, increases as the Reynolds number and it increases linearly as spin parameter increases. The pressure coefficient changes rapidly with spin parameter on the lower surface of the cylinder and the vorticity is sensitive to the spin parameter near separation region. As spin parameter increases the maximum heat coefficient and the thin thermal layer on front region are moved to direction of rotation. However, with balance between the local increase and decrease, the overal heat transfer coefficient is almost unaffected by rotation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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