Turbulent coherent structures near rod-roughened wall are investigated by analyzing the database of direct numerical simulation of turbulent boundary layer. The surface roughness rods with the height $k/{\delta}=0.05$ are arranged periodically in $Re_{\delta}=9000$. The roughness sublayer is 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 ($y/{\delta}=0.15$)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.
A particle image velocimetry (PlV) technique has been applied to measure the quantitative flow field characteristics behind a road vehicle with/without an air spoiler attached on its trunk and to estimate its effect on the wake. A vehicle model scaled in the ratio of 1/43 is set up in the mid-section of a closed-loop water tunnel. The Reynolds number based on the vehicle length is $10^5$. To investigate the three-dimensional structure of the recirculation zone and vortices, measurements are carried out on the planes both parallel and perpendicular to the free stream, respectively. The results show significant differences in the recirculation region and the vorticity distributions according to the existence of the air spoiler. The focus and the saddle point, appearing just behind the air spoiler, are disposed differently along the spanwise direction. Regarding the streamwise vortices, the air spoiler produces large wing tip vortices. They have opposite rotational directions to C-pillar vortices which are commonly observed in case that the air spoiler is absent. The wing tip vortices generate the down-force and as a result, they can make the vehicle more stable in driving.
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.
In nature, the swallowtail butterfly is known to be a versatile flyer using gliding and flapping efficiently. Furthermore, it has long tails on the hind-wing that may be associated with the enhancement of the gliding performance. In the present study, we investigate the aerodynamic property of swallowtail butterfly wing in gliding. We use an immersed boundary method and conduct a numerical simulation at the Reynolds numbers of 1,000 - 3,000 based on the free-stream velocity and the averaged chord length for seven different attack angles. As a result, we clearly identify the existence of the wing-tip and leading-edge vortices, and a pair of the streamwise vortices generated along the hind-wing tails. Interestingly, at the attack angle of $10^{\circ},$ hairpin vortices are generated above the center of the body and travel downstream.
In this study, the modification of turbulent boundary layer flow by local wall vibration is investigated. The wall is locally vibrated using a wall deformation actuator, which moves up and down at the frequencies of 100Hz and 50Hz. Simultaneous measurements of the streamwise velocities in the spanwise direction are performed at several wall-normal and streamwise locations using an in-house multi-channel hot wire anemometer and a spanwise hot-wire-probe rake. The mean velocity is reduced in most places due to the wall vibration and its reduced amount becomes small as flow goes downstream. Interestingly, the mean velocity is found to increase very near the wall and near the actuator. This is due to the motion induced by the streamwise vortices which are generated by the downward motion of the actuator. In case of the streamwise velocity fluctuations, their magnitude increases as compared to the unperturbed turbulent boundary layer, and the increased amount becomes small as the flow moves downstream. The modified flow field at the forcing frequency of 50Hz is not much different from that of 100Hz, except the reduced amount of modification.
Numerical simulations of laminar flow over a sphere are conducted to investigate the effect of the Reynolds number on the characteristics of vortex shedding. The Reynolds numbers considered are between 300 and 475, covering unsteady planar-symmetric and asymmetric flows. Results show that the unsteady planar-symmetric flow can be categorized into two different regimes: single-frequency regime and multiple-frequency regime. The former has a single frequency component due to periodic shedding of the vortices with the same strength in every shedding cycle, while the latter has multiple frequency components due to cycle-to-cycle variation in the strength of shed vortices with the shedding angle fixed. The multiple-frequency planar-symmetric flow, which is newly found in the present study, occurs at Re=330${\sim}$360 between the single-frequency planar-symmetric flow and the asymmetric flow. On the other hand, the asymmetric flow occurs at Re${\geq}$365, where the vortices shed from the sphere show variation both in strength and shedding angle unlike the planar-symmetric flow. Also, it is shown that the breaking of planar symmetry is closely related to the imbalance of vortical strength between a pair of streamwise vortices.
Turbulent boundary-layer over a micro-riblet film(MRF) was investigated experimentally. The MRF has sharp V-shaped micro scale grooves of $300{\mu}m$ in width and $176.8{\mu}m$ in height. Particle image velocimetry(PIV) system was employed to measure velocity fields of flow over the MRF coated plate. Flow over a smooth plate was also measured for comparison. The PIV measurements were taken in the streamwise wall-normal planes at Re$\theta$= 985 and 2342. Vortex structures of the flow were analyzed by extracting the swirling strength as an unambiguous vortex-identification criterion. As a result the number of spanwise vortices with clockwise(negative) rotation decreases rapidly in the near-wall region(y<0.2h), but decreases slowly in the outer region(0.2h
Recent studies of the structure of wall turbulence have lead to the development of a conceptual model that validates and integrates many elements of previous models into a relatively simple picture based on self-assembling packets of hairpin vortex eddies. By continual spawning new hairpins the packets grow longer in the streamwise direction, and by mutual induction between adjacent hairpins the hairpins are strained so that they grow taller and wider as they age. The result is a characteristic growth angle in the streamwise-wall normal plane. The spanwise growth of individual packets implies that packets must either merge or pass through each other when they come into contact. Direct numerical simulations of the growth and interaction of spanwise adjacent hairpins shows that they merge by the vortex connection mechanism originally proposed by Wark and Nagib (199). In this mechanism the quasi-streamwise legs of two hairpins annihilate each other, by virtue of having opposite vorticity, leaving a new hairpin of approximately double the width of the individuals. PIV measurements in planes parallel to the wall support this picture. DNS of multiple hairpins shows how the spanwise scale doubles when the hairpins form an array.
Three dimensional velocity measurements of a 35.deg. inclined jet issuing into turbulent boundary layer on both concave and convex surfaces have been conducted. To investigate solely the effect of each curvature on the flow field, streamwise pressure variations are minimized by adjusting the shape of the opposite wall in the curved region. From the measured velocity components, streamwise mean vorticities are calculated to determine jet-crossflow interface. The results on convex surface show that the injected jet is separated from the wall and the bound vortex maintains its structure far downstream. On concave surface, the secondary flow in the jet cross-sections are enhanced and in some downstream region from the jet exit, the flow on the concave surface has been developed to Taylor-Gortler vortices
The turbulent flow around a sphere was investigated in a streamwise meridian plane using two experimental techniques: smoke-wire flow visualization in wind tunnel at Re=5,300 and PIV measurements in a circulating water channel at Re=7,400. The smoke-wire visualization shows flow separation points near an azimuthal angle of $90^{\circ}$, recirculating flow, transition from laminar to turbulent shear layer, evolving vortex roll-up and fully turbulent eddies in the sphere wake. In addition, the mean flow pattern extracted by particle tracing method in water tunnel at Re= 14,500 reveals two distinct comparable toroidal(not closed) vortices in the recirculation region. The mean velocity field measured using a PIV technique demonstrates the detailed wake configuration of close symmetric recirculation and near-wake configuration with two toroidal vortices, reversed velocity zone and vorticity contours.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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