Laminar flow over a cube near a plane wall is numerically investigated in order to understand the effects of the cube-wall gap on the flow characteristics as well as the drag and lift coefficients. The main focus is placed on the three-dimensional vortical structures and its relation to the lift force applied on the cube. Numerical simulations are performed for the Reynolds numbers between 100 and 300, covering several different flow regimes. Without a wall nearby, the flow at Re=100 is planar symmetric with no vortical structure in the wake. However, when the wall is located close to the cube, a pair of streamwise vortices is induced behind the cube. At Re=250, the wall strengthens the existing streamwise vortices and elongates them in the streamwise direction. As a result, the lift coefficients at Re=100 and 250 increase as the cube-wall gap decreases. On the other hand, without a wall, vortex shedding takes place at Re=300 in the form of a hairpin vortex whose strength changes in time. The head of hairpin vortex or loop vortex, which is closely related to the lift force, seems to disappear due to the nearby wall. Therefore, unlike at Re=100 and 250, the lift coefficient tends to decrease more or less as the cube approaches the wall.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.25
no.6
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pp.1353-1361
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2001
Vortex lock-on or resonance behind a circular cylinder is visualized using a time-resolved PW when a single frequency oscillation is superimposed on the mean incident velocity. For vector processing, a cross-correlation algorithm in conjunction with a recursive correlation and interrogation window shifting techniques is used. Measurements are made of the Karmas and streamwise vertices in the wake-transition regime at Reynolds lumber 360. When lock-on occurs, the vortex shedding frequency is found to be half the oscillation frequency as expected from previous experiments. At the lock-on state, the Karman vortices are observed to be more disordered by the increased strength and spanwise wavelength of the streamwiee vortices, which lead? to a strong three-dimensional motion.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.25
no.5
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pp.1076-1085
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2001
Experimental investigations of the longitudinal vortices, which are produced by wing type vortex generators set up behind a circular cylinder in a rectangular channel, are presented. When the circular cylinder is set up in the rectangular channel, a horseshoe vortex is formed just upsteam of the circular cylinder. It generates a turbulent wake region behind the circular cylinder. Therefore, the region of the pressure loss behind the circular cylinder in increased and the size of the wake is small. These problems can be achieved by longitudinal vortices which are generated by wing-type vortex generator. In order to control the strength of longitudinal vortices, the angle of attack of the vortex generators is varied from 20 degree to 45, but the spacing between the vortex generators is fixed 6cm. The 3-dimensional mean velocity measurements are made using a five-hole probe. The vorticity field and streamwise velocity contour are obtained from the velocity field. The following results are obtained. Circulation strength is the maximum value when the angle of attack($\beta$) is $30^{\circ}$, and the vorticity field and streamwise velocity contour in case of $\beta$=$20^{\circ}$ show the trend similar to these in case of $\beta$=$30^{\circ}$, but do not in case of $\beta$=$45^{\circ}$.
Park, Ji-Yong;Kim, Soo-Hyeon;Bae, Joong-Hun;Park, No-Ma;Yoo, Jung-Yul
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.31
no.9
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pp.780-789
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2007
Lock-on phenomenon in the wake of a circular cylinder is investigated at the Reynolds number of 360 using direct numerical simulation (DNS). To induce lock-on, a streamwise velocity perturbation with a frequency of twice the natural shedding frequency is superimposed on the free stream velocity. The Reynolds stress distributions are investigated to analyze the streamwise force balance acting on the recirculation region and the results are compared with the previous experimental result. When the lock-on occurs, the pressure force on the recirculation region is shown to increase mainly due to the reversal of the Reynolds shear stress distribution, which is consistent with our previous results using PIV measurement. It is also shown that, with the lock-on, the strength of the primary vortices increases whereas that of the secondary vortices decreases significantly. Further, under the lock-on condition the wavelength of the secondary vortices increases by as much as 2.5 times.
Winoto, S.H.;Tandiono, Tandiono;Shah, D.A.;Mitsudharmadi, H.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.1
no.1
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pp.10-23
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2008
The development of pre-set wavelength G$\ddot{o}$rtler vortices are studied in the boundary-layer flows on concave surfaces of 1.0 and 2.0 m radius of curvature. The wavelengths of the vortices were pre-set by thin wires of 0.2 mm diameter placed 10 mm upstream and perpendicular to the concave surface leading edge. Velocity contours were obtained from velocity measurements using a single hot-wire anemometer probe. The most amplified or dominant wavelength is found to be 15 mm for free-stream velocity of 2.1 m/s and 3.0 m/s on the concave surface of R = 1 m and 2 m, respectively. The velocity contours in the cross-sectional planes at several streamwise locations show the growth and breakdown of the vortices. Three different regions can be identified based on the growth rate of the vortices. The occurrence of a secondary instability mode is also shown in the form of mushroom-like structures as a consequence of the non-linear growth of the G$\ddot{o}$rtler vortices. By pre-setting the vortex wavelength to be much larger and much smaller than the most amplified one, the splitting and merging of G$\ddot{o}$rtler vortices can be respectively observed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.8
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pp.1103-1112
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2001
The effect of pressure gradients on the hairpin structures in three different turbulent boundary layers (ZPG : Re(sub)$\theta$=910, FPG : Re(sub)$\theta$=575, APG : Re(sub)$\theta$=1290) has been examined with instantaneous velocity fields obtained in streamwise-wall-normal planes using PIV (particle image velocimetry) method. In the outer layer hairpin vortices occur in streamwise-aligned packets that propagate with small velocity dispersion. The signature pattern of the hairpin consists of a spanwise vortex core located above a region of strong second quadrant fluctuation (u<0 and v>0 : Q2 event) is clearly observed. The formation of packets explains the occurrence of multiple VITA events in turbulent burst. Noticeable differences are found in the average inclination angles of hairpin vortex packets which are 45$^{\circ}$, 35.7$^{\circ}$, and 51.9$^{\circ}$in the case of ZPG, FPG and APG, respectively. It is found that the large, time-varying, irregularly shaped zones with nearly constant streamwise momentum exist throughout the boundary layer. Within the interior of the envelope the spatial coherence between the velocity fields induced by the individual vortices leads to strongly retarded streamwise momentum, explaining the zones of uniform momentum. The formation of the uniform momentum zone is remarkably different with respect to the pressure gradients especially in the logarithmic layer.
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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.7
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pp.937-944
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1999
The near-wall flow structures of turbulent boundary layer over riblets having semi-circular grooves were investigated experimentally for the drag decreasing ($s^+=25.2$) and drag increasing ($s^+=40.6$) cases. The field of view used for tho velocity field measurement was $6.75{\times}6.75mm^2$ in physical dimension, containing two grooves. One thousand instantaneous velocity fields over the riblets were extracted for each case of drag increase and decrease. For comparison, five hundreds instantaneous velocity fields over a smooth flat plate were also obtained under the same flow conditions. To see the global flow structure qualitatively, the flow visualization was also performed using the synchronized smoke-wire technique. For the drag decreasing case ($s^+=25.2$), most of the streamwise vortices stay above the riblets, interacting with the riblet tips. The high-speed in-rush flow toward the riblet surface rarely influences the flow inside tho riblet valleys submerged in the viscous sublayer. The riblet tips seem to impede the spanwise movement of the longitudinal vortices and induce secondary vortices. The turbulent kinetic energy in the riblet valley is sufficiently small to compensate the increased wetted area of the riblets. In addition, in the logarithmic region, the turbulent kinetic energy are small or almost equal to that of a smooth flat plato. For the drag increasing case ($s^+=40.6$), however, the streamwise vortices move into the riblet valley freely, interacting directly with the riblet inner surface. The penetration of the high-speed in-rush flow on the riblets increases tho skin-friction. The turbulent kinetic energy is increased in the riblet valleys and even in the outer region compared to that over a flat plate.
An analytic approach is attempted to predict the amplification of turbulence in compressible flows experiencing one-dimensional and axisymmetric bulk dilatation. The variations of vortex radius and vorticity are calculated, and then the amplification of turbulence is obtained from them by tracking three representative vortices. For a one-dimensionally compressed flow, the present analysis slightly underestimates the amplification of velocity fluctuations and turbulent kinetic energy, relative to that of rapid distortion theory in the solenoidal limit. For an axisymmetrically distorted flow, the amplification of velocity fluctuations and turbulent kinetic energy depend not only on the density ratio but also on the ratio of streamwise mean velocities, which represents streamwise vortex contraction/stretching. In all flows considered, the amplification of turbulence is dictated by the mean density ratio. In the axisymmetric flow, streamwise vortex stretching/contraction, however, alters the amplification slightly.
Turbulent coherent structure near rod-roughened wall are investigated by analyzing the database of direct numerical simulation of turbulent boundary layer. The roughness sublayer id defined as two-point correlations are not independent of streamwise locations around roughness. The roughness sublayer based on the two-point spatial correlation is different from that given by one-point statistics. Quadrant analysis and probability-weighted Reynolds shear stress indicate that turbulent structures are not affected by surface roughness above the roughness sublayer defined by the spatial correlations. The conditionally-averaged flow fields associated with Reynolds shear stress producing Q2/Q4 events show that though turbulent vortices are affected in the roughness sublayer, these are very similar at different streamwise locations above the roughness sublayer. The Reynolds stress producing turbulent vortices in the log layer have almost the same geometrical shape as those in the smooth wall-bounded turbulent flows. This suggests that the mechanism by which the Reynolds stress is produced in the log layer has not been significantly affected by the present surface roughness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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