Predicting coal combustion by computational fluid dynamics (CFD) requires a combination of complicated flow and reaction models for turbulence, radiation, particle flows, heterogeneous combustion, and gaseous reactions. There are various levels of models available for each of the phenomena, but the use of advanced models are significantly restricted in a large-scale boiler due to the computational costs and the balance of accuracy between adopted models. In this study, the influence of coal devolatilization model and turbulent mixing rate was assessed in CFD for a commercial boiler at 500 MWe capacity. For coal devolatilization, two models were compared: i) a simple model assuming single volatile compound based on proximate analysis and ii) advanced model of FLASHCHAIN with multiple volatile species. It was found out that the influence of the model was observed near the flames but the overall gas temperature and heat transfer rate to the boiler were very similar. The devolatilization rate was found not significant since the difference in near-flame temperature became noticeable when it was multiplied by 10 or 0.1. In contrast, the influence of turbulent mixing rate (constant A in the Magnussen model) was found very large. Considering the heat transfer rate and flame temperature, a value of 1.0 was recommended for the rate constant.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.5
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pp.610-620
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1999
Recently, numerous modifications of low Reynolds number $k-{\epsilon}$ model have boon carried out with the aid of DNS data. However, the previous models made in this way are too intricate to be used practically. To overcome this shortcoming, a new low Reynolds number $k-{\epsilon}$ model has boon developed by considering the distribution of turbulent properties near the wall. This study proposes the revised a turbulence model for prediction of turbulent flow with adverse pressure gradient and separation. Nondimensional distance $y^+$ in damping functions is changed to $y^*$ and some terms modeled for one dimensional flow in $\epsilon$ equations are expanded into two or three dimensional form. Predicted results by the revised model show an acceptable agreement with DNS data and experimental results. However, for a turbulent flow with severe adverse pressure gradient, an additive term reflecting an adverse pressure gradient effect will have to be considered.
Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian computational fluid dynamics method that has been widely used in the analysis of physical phenomena characterized by large deformation or multi-phase flow analysis, including free surface. Despite the recent implementation of eddy-viscosity models in SPH methodology, sophisticated turbulent analysis using Lagrangian methodology has been limited due to the lack of computational performance and numerical consistency. In this study, we implement the standard and dynamic Smagorinsky model and dynamic Vreman model as sub-particle scale models based on a weakly compressible SPH solver. The large eddy simulation method is numerically identical to the spatial discretization method of smoothed particle dynamics, enabling the intuitive implementation of the turbulence model. Furthermore, there is no additional filtering process required for physical variables since the sub-grid scale filtering is inherently processed in the kernel interpolation. We simulate lid-driven flow under transition and turbulent conditions as a benchmark. The simulation results show that the dynamic Vreman model produces consistent results with experimental and numerical research regarding Reynolds averaged physical quantities and flow structure. Spectral analysis also confirms that it is possible to analyze turbulent eddies with a smaller length scale using the dynamic Vreman model with the same particle size.
Gaussian dispersion model is the most widely used tool for the ground level air pollution simulation. Though in spite of the convenience there are important problems on the Pasquill- Gifford' stability classification scheme which was used to define the turbulent state of the atmosphere or to describe the dispersion capabilities of the atmosphere which was each covers a broad range of stability conditions, and that they were very site specific, and the vertical dispersion calculation formula on the case of the unstable atmospheric condition. This paper was carried out to revise the Gaussian dispension model for the purposed of increase the modeling performance and propose the revised model, which was composed of the turbulent characteristics in the unstable atmospheric conditions. The proposed models in this study were composed of the profile method, Monin-Obukhove length, the probability density function model and the lateral dispersion function which was composed of the turbulent parameters, $u_*$(friction velocity), $w_*$(convective velocity scale), $T_L$(lagrangian time scale) for the model specific. There were very good performance results compare with the tracer experiment result on the case of the short distance (<1415m) from the source, but increase the simulation error(%) to stand off the source in the all models. In conclusion, the revised Gaussian dispersion model using the turbulent characteristics may be a good contribution for the development of the air pollution simulation model.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.20
no.1
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pp.37-50
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2016
A large eddy simulation (LES) of a turbulent channel flow is performed by using the third order low-storage Runge-Kutta method in time and second order finite difference formulation in space with staggered grid at a Reynolds number, $Re_{\tau}=590$ based on the channel half width, ${\delta}$ and wall shear velocity, $u_{\tau}$. To reduce the calculation cost of LES, algebraic wall model (AWM) is applied to approximate the near-wall region. The computation is performed in a domain of $2{\pi}{\delta}{\times}2{\delta}{\times}{\pi}{\delta}$ with $32{\times}20{\times}32$ grid points. Standard Smagorinsky model is used for subgrid-scale (SGS) modeling. Essential turbulence statistics of the flow field are computed and compared with Direct Numerical Simulation (DNS) data and LES data using no wall model. Agreements as well as discrepancies are discussed. The flow structures in the computed flow field have also been discussed and compared with LES data using no wall model.
The logarithmic form for turbulent flow analysis guarantees the positivity of the turbulence variables as ${\kappa}$ and ${\varepsilon}$ of the ${\kappa}-{\varepsilon}$ model by using the natural logarithm of these variables. In the present study, the logarithmic form is incorporated into the finite element solution procedure for the unsteady turbulent flow analysis. A backward facing step flow using the standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ model and a flow around a 2D square cylinder using the modified ${\kappa}-{\varepsilon}$ model (the Kato-Launder model) are simulated. These results show that the logarithmic form effectively keeps adequate balance of turbulence variables and makes the analysis stable during transient or unsteady processes.
A Navier-stokes based finite volume method has been developed to analyze an incompressible, steady state, turbulent wall-jet flow. The standard k-e model, the RNG ${\kappa}-{\varepsilon}$ model and their nonlinear counterparts are adopted as a closure relationship. Comparison with the experimental data shows that a linear ${\kappa}-{\varepsilon}$ model performs satisfatorily for two-dimensional wall-jet flows. However, as the flow becomes three dimensional, the linear model fails to predict the spanwise jet growth accurately and the nonlinear model needs to be adopted to capture three-dimensional flow characteristics.
A numerical simulation method has been under development for solving turbulent flows around a ship model in maneuvering motion using the Reynolds Averaged Navier-Stokes equations. The method used second-order finite differences, collocated grids, pressure-Poisson equation and four-stage Runge-Kutta scheme as key components of the solution method. A modified Baldwin-Lomax model is used for the turbulence closure. This paper presents a preliminary result of the computational study on turbulent flows past a ship model in drift motion. Calculations are carried out for a Series 60 $C_B=0.6$ ship model, for which detailed experimental data are available. The results of the present calculations are compared with the experimental data for hydrodynamic forces acting on the model as well as velocity distributions at longitudinal sections. Only fair agreements has been achieved. The computational results show the complex asymmetrical shear flow patterns including three-dimensional separations followed by formation of bilge vortices both in bow and stern regions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.3
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pp.305-314
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2001
A modified model is proposed for calculation of transitional boundary layer flows. In order to develop the eddy viscosity model for the problem, the flow is divided into three regions; namely, pre-transition region, transition region and fully turbulent region. The pre-transition eddy-viscosity is formulated by extending the mixing length concept. In the transition region, the eddy-viscosity model employs two length scales, i.e., pre-transition length scale and turbulent length scale pertaining to the regions upstream and the downstream, respectively, and a universal model of stream-wise intermittency variation is used as a function bridging the pre-transition region and the fully turbulent region. The proposed model is applied to calculate three benchmark cases of the transitional boundary layer flows with different free-stream turbulent intensity (1%∼6%) under zero-pressure gradient. It was found that the profiles of mean velocity and turbulent intensity, local maximum of velocity fluctuations, their locations as well as the stream-wise variation of integral properties such as skin friction, shape factor and maximum velocity fluctuations are very satisfactorily predicted throughout the flow regions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.7
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pp.911-918
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1997
The turbulent viscous wake flows behind a single airfoil, two-dimensional stationary blade row and three-dimensional rotating blade row were calculated, and the numerical results were compared with experimental ones. The numerical technique was based on the SIMPLE algorithm using three turbulent closure models, standard k-.epsilon. model(WFM), low Reynolds number k-.epsilon. model(LRN) and Reynolds stress model (RSM). In the case of a single airfoil, WFM, LRN and RSM presented fairly good velocity distributions in the wake compared with experimental data. In the case of the stationary blade row, LRN and RSM presented better results than WFM for wake velocity distribution, and especially LRN showed best results among these three turbulent models. In the case of the rotating blade row, WFM and LRN showed fairly good agreement with experimental data of the three-dimensional velocity component distributions in the range from hub to mid span region. LRN was also superior to WFM in accuracy of prediction for the wake velocity distribution as same with the cases of a airfoil and the stationary blade row.
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