International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.4
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pp.295-302
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2009
The flow in the draft tube cone of Francis turbines operated at partial discharge is a complex hydrodynamic phenomenon where an incoming steady axisymmetric swirling flow evolves into a three-dimensional unsteady flow field with precessing helical vortex (also called vortex rope) and associated pressure fluctuations. The paper addresses the following fundamental question: is it possible to compute the circumferentially averaged flow field induced by the precessing vortex rope by using an axisymmetric turbulent swirling flow model? In other words, instead of averaging the measured or computed 3D velocity and pressure fields we would like to solve directly the circumferentially averaged governing equations. As a result, one could use a 2D axi-symmetric model instead of the full 3D flow simulation, with huge savings in both computing time and resources. In order to answer this question we first compute the axisymmetric turbulent swirling flow using available solvers by introducing a stagnant region model (SRM), essentially enforcing a unidirectional circumferentially averaged meridian flow as suggested by the experimental data. Numerical results obtained with both models are compared against measured axial and circumferential velocity profiles, as well as for the vortex rope location. Although the circumferentially averaged flow field cannot capture the unsteadiness of the 3D flow, it can be reliably used for further stability analysis, as well as for assessing and optimizing various techniques to stabilize the swirling flow. In particular, the methodology presented and validated in this paper is particularly useful in optimizing the blade design in order to reduce the stagnant region extent, thus mitigating the vortex rope and expending the operating range for Francis turbines.
The two-dimensional unsteady incompressible viscous flow behind rectangular bluff bodies between two parallel plates was analyzed numerically. The steady state flow and the vortex flow behind rectangular bluff bodies in the channel were investigated for two regimes i.e., the laminar(Re = 100, 300, 500) and the turbulent flows(Re = 10⁴∼10/sup 6/). The vortex shedding was generated by a physical disturbance(6%) numerically imposed at the rear of the bluff bodies for a short time. It was observed that the perturbed flow became periodic after a transient period. And in the case of unsteady inflow, the sinusoidal pulsatile flow was applied as the inlet condition in the turbulent flow of Reynolds number of 1.0×10/sup 5/. FLUENT code was employed to solve the problems. The power-law scheme was used to get stable linearized equations and the PISO algorithm was applied to finding the solution of them.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.3
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pp.326-335
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1998
In this study, a steady three-dimensional incompressible turbulent flow within a torque converter was numerically analyzed with the introduction of interrow mixing model. Mixing planes were introduced to exchange the flow informations between two adjacent elements of the torque converter. The mixing planes were installed among three elements of the torque converter. Therefore, in the present method, it could be possible to calculate the flow-filed within the torque converter without any assumption of circulating flow rates or any extension of boundaries toward the upstream and the downstream for each element. The numerically calculated performances of the torque converter were in good agreement with experimental results, and the complex flow patterns were be observed according to design and off-design condition. As a conclusion, it was found that the present numerical method was very effective in the steady flow analysis of torque converters.
The design of a nuclear reactor core requires basic thermal-hydraulic information concerning the heat transfer regime at which onset of nucleate boiling (ONB) will occur, the pressure drop and flow rate through the reactor core, the temperature and power distributions in the reactor core, the departure from nucleate boiling (DNB), the condition for onset of flow instability (OFI), in addition to, the critical velocity beyond which the fuel elements will collapse. These values depend on coolant velocity, fuel element geometry, inlet temperature, flow direction and water column above the top of the reactor core. Enough safety margins to ONB, DNB and OFI must-emphasized. A heat transfer package is used for calculating convection heat transfer coefficient in single phase turbulent, transition and laminar regimes. The main objective of this paper is to study the possibility of power upgrading of WWR-S research reactor from 2 to 10 MWth. This study presents a one-dimensional mathematical model (axial direction) for steady-state thermal-hydraulic design and analysis of the upgraded WWR-S reactor in which two types of plate fuel elements are employed. FOR-CONV computer program is developed for the needs of the power upgrading of WWR-S reactor up to 10 MWth.
Anisotropic distribution of the turbulent kinetic energy and the near-field excitations are the main causes of the steady state Flow-Induced Vibration (FIV) which could lead to fretting wear damage in vertically arranged supported slender rods. In this article, a combined Computational Fluid Dynamics (CFD) and Computational Structural Mechanic (CSM) approach named two-way Fluid-Structure Interaction (FSI) is used to investigate the modal characteristics of a typical rod's vibration. Performance of an Unsteady Reynolds-Average Navier-Stokes (URANS) and Large Eddy Simulation (LES) turbulence models on asymmetric fluctuations of the flow field are investigated. Using the LES turbulence model, any large deformation damps into a weak oscillation which remains in the system. However, it is challenging to use LES in two-way FSI problems from fluid domain discretization point of view which is investigated in this article as the innovation. It is concluded that the near-wall meshes whiten the viscous sub-layer is of great importance to estimate the Root Mean Square (RMS) of FIV amplitude correctly as a significant fretting wear parameter otherwise it merely computes the frequency of FIV.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.22
no.7
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pp.685-691
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2012
It is essential for the accurate time-domain prediction of broadband noise due to turbulence-cascade interaction to develop inflow/outflow boundary conditions to satisfy the following three requirements: to maintain the back ground mean flow, to nonreflect the outgoing disturbances and to generate the specified input gust. The preceding study showed that perfectly matched layer(PML) boundary condition was successfully applied to absorb the outgoing disturbances and to generate the specified gust in the time-domain computations of broadband noise due to interaction of incident gust with a cascade of flat-plates. In present study, PML boundary condition is extended in order to predict steady mean flow that is needed for the computation of noise due to interaction of incident gust with a cascade of airfoils. PML boundary condition is originally designed to absorb flow disturbances superimposed on the steady meanflow in the buffer zone. However, the steady meanflow must be computed before PML boundary condition is applied on the flow computation. In the present paper, PML equations are extended by introducing source term to maintain desired mean flow conditions. The extended boundary condition is applied to the benchmark problem where the meanflow around a cascade of airfoils is predicted. These illustrative computations reveal that the extended PML equations can effectively provide and maintain the target meanflow.
The compressible laminar and turbulent viscous flows on a slender body in supersonic speed as well as subsonic speed have been numerically simulated at high angle of attack. The steady and time-accurate compressible thin-layer Navier-Stokes code based on an implicit upwind-biased LU-SGS algorithm has been developed and specifically applied at angles of attack of 20, 30 and 40 dog, respectively. The modified eddy-viscosity turbulence model suggested by Degani and Schiff was used to simulate the case of turbulent flow. Any geometric asymmetry and numerical perturbation have not been intentionally or artificially imposed in the process of computation. The purely numerical results for laminar and turbulent cases, however, show clear asymmetric formation of vortices which were observed experimentally. Contrary to the subsonic results, the supersonic case shows the symmetric formation of vortices as indicated by the earlier experiments.
We investigate 3D radiation-hydrodynamics (RHD) for surface convection of the solar-type low-mass stars (M = 0.8, 0.9, and 1.0 Msun). The outer convection zone (CZ) of low-mass stars is an extremely turbulent region composed of partly ionized compressible gases at high temperature. Particularly, the super-adiabatic layer (SAL), the top of the CZ is the transition region where the transport of energy changes drastically from convection to radiation. In order to accurately describe physical processes, a realistic treatment of radiation should be considered as well as convection. As a starting model, the initial stratification in the outer envelope calculated using the solar calibrations in the context of the standard stellar theory. When the numerical fluid becomes thermally relaxed, the thermodynamic structure of the steady-state turbulent flow was explicitly collected. In this presentation, we compared thermodynamic properties of turbulent convection of the solar-type low-mass stars.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.11
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pp.1509-1520
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1998
An experiment was carried out for the fully developed turbulent flow of water in tube coils on the condition of uniform heat flux. The present work was conducted for various ranges for Dean number(1794~1321), Prandtl number (2.5~4.5), curvature ratio parameters (22~60). Heat transfer to steady viscous flow in coiled tubes of circular cross section was studied for fully developed velocity and temperature fields under the thermal boundary condition of uniform heat flux. The peripherally local Nusselt number correlated as a function of Dean and Prandtl numbers. We studied the flow in heat coiled tubes under the influence of both centrifugal and buoyancy forces in order to gain insight into the flow pattern. In the present study, we obtained three emperical formulas, $Nu_v=0.0231Re^{0.84}Pr^{0.4}(a/R)^{0.13}$ (vertical) $Nu_c=0.0241Re^{0.86}Pr^{0.4}(a/R)^{0.08}$ (corrugated) $Nu_h=0.0227Re^{0.84}Pr^{0.4}(a/R)^{0.09}$ (horizontal).
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.8
no.3
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pp.181-189
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2000
The aerodynamic characteristics of large transport vehicle has become more and more important in recent vehicle design to improve driving performance in high speed cruising and raise the product valve with regard to a comfortable driving condition. Hence, detailed knowledge of the flow field around truck coner vane is essential to improve fuel efficiency and reduce the dirt contamination on vehicle body surface. In this study, three-dimensional flow characteristics around corner vane attached to truck cabin were computed for the steady, incompressible, and high speed viscous flow, adopting the RNG k-$\varepsilon$ turbulence model. In order to investigate the influence of configuration and structure of corner vane, computations were carried out for four cases at a high Reynolds number, Re=4.1$\times$106 (based on the cabin height). The global flow patterns, drag coefficient and the distributions such as velocity magnitude, turbulent kinetic energy around the corner vane, were examined. As a result of this study, we could identify the flow characteristics around corner vane for the variation of corner vane length and width. Also, suggest the improved structure to reduce the dirt contamination in cabin side.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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