Couldrick, Jonathan;Shankar, Krishnakumar;Gai, Sudhir;Milthorpe, John
Structural Engineering and Mechanics
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v.16
no.5
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pp.519-531
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2003
Piezoelectric actuators have long been recognised for use in aerospace structures for control of structural shape. This paper looks at active control of the swept shock wave/turbulent boundary layer interaction using smart flap actuators. The actuators are manufactured by bonding piezoelectric material to an inert substrate to control the bleed/suction rate through a plenum chamber. The cavity provides communication of signals across the shock, allowing rapid thickening of the boundary layer approaching the shock, which splits into a series of weaker shocks forming a lambda shock foot, reducing wave drag. Active control allows optimum control of the interaction, as it would be capable of positioning the control region around the original shock position and unimorph tip deflection, hence mass transfer rates. The actuators are modelled using classical composite material mechanics theory, as well as a finite element-modelling program (ANSYS 5.7).
Suh, Sung-Bu;Park, Il-Ryong;Jung, Kwang-Hyo;Lim, Jung-Gwan;Kim, Kwang-Soo;Kim, Jin
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.28
no.4
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pp.268-273
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2014
To investigate the turbulence characteristics within the boundary layer over a flat plate, an experimental study was performed using a PIV technique in a circular water channel. For two water velocities, 0.92 and 1.99 m/s, the water velocity profiles were taken and analyzed to determine turbulent characteristics such as the Reynolds stress, Taylor micro-length scale, and Kolmogorov length scale within the defect law region of the boundary layer. These analysis methods may be applied to research on the friction drag reduction technology using micro-bubbles or an air sheet over the surface of a ship's hull, because the physical reason for the friction drag reduction could be found by understanding the variation of the turbulence characteristics and structures in the boundary layer.
Drag reduction is one of main concerns for commercial aircraft companies than ever because fuel price has been tripled in ten years. In this research, Natural Laminar Flow airfoil is designed and tested to reduce drag at cruise condition, $c_l$=0.3, Re=3.4${\times}$10$^6$ and M=0.6. NLF airfoil is characterized by delayed transition from laminar to turbulent flow, which comes from maintaining favorable pressure gradient to downstream. Transition is predicted by solving Boundary Layer equations in viscous boundary layer and by solving Euler Equation outside the boundary layer. Once boundary layer thickness and momentum thickness are obtained, $e^N$-method is used for transition point prediction. As results, KARI's NLF airfoil is designed and shows better characteristics than NLF-0115. The characteristics are tested and verified at low Reynolds numbers, but at high Reynolds numbers, laminar flow characteristics are not obtainable because of fully turbulent flow over airfoil surfaces. Precious experiences, however, relating NLF airfoil design, subsonic and transonic tests are acquired.
Journal of the Korean Society of Industry Convergence
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v.2
no.2
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pp.115-124
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1999
The interaction of weak normal shock wave with turbulent boundary layer in a supersonic nozzle was investigated experimentally by wall static pressure measurements and by schlieren optical observations. The lime-mean flow in the interaction region was classified into four patterns according to the ratio of the pressure $p_k$ at the first kink point in the pressure distribution of the interaction region to the pressure $p_1$ just upstream of the shock. It is shown for any flow pattern that the wall static pressure rise near the shock foot can be described by the "free interaction" which is defined by Chapman et al. The ratio of the triple point height $h_t$ of the bifurcated shock to the undisturbed boundary layer thickness ${\delta}_1$ upstream of the interaction increases with the upstream Mach number $M_1$, and for a fixed $M_1$, the normalized triple point height $h_t/{\delta}_1$ decreases with increasing ${\delta}_1/h$, where h is the duct half-height.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.11
no.2
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pp.18-25
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2007
Computational study on the passive control of the oblique shock-wave/turbulent boundary-layer interaction utilizing slotted plates over a cavity has been carried out. The numerical boundary layer profile upstream of the interaction follows the compressible turbulent boundary-layer theory reasonably well, and the other results also show good agreements with the experimental observations, such as the wall surface pressures and Schlieren flow visualizations. Further, the effects of various slot configuration including number, location and angle of the slots on the characteristics of the interactions, such as the variation of the total pressures, the boundary-layer characteristics downstream of the interaction and the recirculating mass flux through the slots, are also tested and compared.
The Rondonia Boundary Layer Experiment (RBLE-II) was conceived to collect data the atmospheric boundary layer over two representative surface in the Amazon region of Brazil; tropical forest and a deforested, pasture area. The present study deals with the observations of atmospheric boundary layer growth and decay. Although the atmospheric boundary layer measurements made in RBLE-II were not made simultaneously over the two different surface types, some insights can be gained from analysing and comparing with their structure. The greater depth of the nocturnal boundary layer at the forest site may be due to influence of mechanical turbulence. The pasture site is aerodynamically smoother and so the downward turbulent diffusion will be much pasture than over the forest. The development of the convective boundary layer is stronger over the pasture than over the forest. The influence of the sensible heat flux is important but may be not enough to explain the difference completely. It seems that energy advection may occur from the wet and colder(forest) to the dry and warmer area(pasture), rapidly breaking up the nocturnal inversion. Such advection can explain the abrupt growth of the convective boundary layer at the pasture site during the early morning.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.426-432
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2004
Large-Eddy Simulation (LES) is applied for the simulation of compressible flat plate boundary with Reynolds number up to 5 X 10$^{5}$ . Numerical examples include shock/boundary layer interaction and boundary layer transition, aiming future application to the analysis of transonic fan/compressor cascades. The present LES code uses hybrid com-pact/WENO scheme for the spatial discretization and compact diagonalized implicit scheme for the time integration. The present code successfully predicted the bypass transition of subsonic boundary layer. As for supersonic turbulent boundary layer, mean and fluctuation velocity of the attached boundary, as well as the evolution of the friction coefficient and the displacement thickness both upstream and downstream of the separation region are all in good agreement with experiment. The separation point also agreed with the experiment. In the simulation of the shock/laminar boundary layer interaction, the dependence of the transition upon the shock strength is reproduced qualitatively, but the extent of the separation region is overpredicted. These numerical examples show that LES can predict the behavior of boundary layer including transition and shock interaction, which are hardly managed by the conventional Reynolds-averaged Navier-Stokes approach, although there needs to be more effort before achieving quantitative agreement.
In order to examine the possibility of using a cavity as a passive device for reduction of skin friction and heat transfer, an intensive parametric study over a broad range of the cavity depth and length at different Reynolds numbers is performed for both laminar and turbulent boundary layers in the present study. Direct and large eddy simulation techniques are used for turbulent boundary layers at low and moderate Reynolds numbers, respectively. for both laminar and turbulent boundary layers over a cavity, a flow oscillation occurs due to the shear layer instability when the cavity depth and length are sufficiently large and it plays an important role in the determination of drag and heat-transfer increase or decrease. For a cavity sufficiently small to suppress the flow oscillation, both the total drag and heat transfer are reduced. Therefore, the applicability of a cavity as a passive device for reduction of drag and heat transfer is fully confirmed in the present study. Scaling based on the wall shear rate of the incoming boundary layer is also proposed and it is found to be valid in steady flow over a cavity.
This research work presents an experimental study's outcomes to reveal the impact of an O-ring on the flow control over a sphere placed in a turbulent boundary layer. The investigation is performed quantitatively and qualitatively using particle image velocimetry (PIV) and dye visualization. The sphere model having a diamater of 42.5 mm is located in a turbulent boundary layer flow over a smooth plate for gap ratios of 0≤G/D≤1.5 at Reynolds number of 5 × 103. Flow characteristics, including patterns of instantaneous vorticity, streaklines, time-averaged streamlines, velocity vectors, velocity fluctuations, Reynolds stress correlations, and turbulence kinetic energy (), are compared and discussed for a naked sphere and spheres having O-rings. The boundary layer velocity gradient and proximity of the sphere to the flat plate profoundly influence the flow dynamics. At proximity ratios of G/D=0.1 and 0.25, a wall jet is formed between lower side of the sphere and flat plate, and velocity fluctuations increase in regions close to the wall. At G/D=0.25, the jet flow also induces local flow separations on the flat plate. At higher proximity ratios, the velocity gradient of the boundary layer causes asymmetries in the mean flow characteristics and turbulence values in the wake region. It is observed that the O-ring with various placement angles (𝜃) on the sphere has a considerable alteration in the flow structure and turbulence statistics on the wake. At lower placement angles, where the O-ring is closer to the forward stagnation point of the sphere, the flow control performance of the O-ring is limited; however, its impact on the flow separation becomes pronounced as it is moved away from the forward stagnation point. At G/D=1.50 for O-ring diameters of 4.7 (2 mm) and 7 (3 mm) percent of the sphere diameter, the -ring exhibits remarkable flow control at 𝜃=50° and 𝜃=55° before laminar flow separation occurrence on the sphere surface, respectively. This conclusion is yielded from narrowed wakes and reductions in turbulence statistics compared to the naked sphere model. The O-ring with a diameter of 3 mm and placement angle of 50° exhibits the most effective flow control. It decreases, in sequence, streamwise velocity fluctuations and length of wake recovery region by 45% and 40%, respectively, which can be evaluated as source of decrement in drag force.
It is essential to analyze structural vibrations due to turbulent wall pressure fluctuations over a body surface which moves through a fluid, because the vibrations can be a severe source of noise affecting to passengers in airplanes and SONAR performance. Generally, this kind of problems have been solved for very simplified models, e.g. plates, which can be applied to the wavenumber domain analysis. In this paper, a finite element modeling of the walt pressure fluctuations is investigated, which can be applied to those over arbitrary smooth surfaces. It is found that the modeled wall pressure fluctuation at nodes becomes uncorrelated at higher frequencies and at lower flow speeds, and the response is over-estimated due to the aliased power. Then the frequency range available for uncorrelated loading model and two power correction schemes are presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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