Numerical and experimental investigations are peformed for the rarefied gas flows in pumping channels of a helical-type drag pump. Modern turbomolecular pumps include a drag stage in the discharge side, operating roughly in $10^{-2}{\sim}10Torr$. The flow occurring in the pumping channel develops from the molecular transition to slip flow traveling downstream. Two different numerical methods are used in this analysis: the first one is a continuum approach in solving the Navier-Stokes equations with slip boundary conditions, and the second one is a stochastic particle approach through the use of the direct simulation Monte Carlo(DSMC) method. The flow in a pumping channel is three-dimensional(3D), and the main difficulty in modeling a 3D case comes from the rotating frame of reference. Thus, trajectories of particles are no longer straight lines. In the Present DSMC method, trajectories of particles are calculated by integrating a system of differential equations including the Coriolis and centrifugal forces. Our study is the first instance to analyze the rarefied gas flows in rotating frame in the presence of noninertial effects.
Two dimensional numerical model of high-order accuracy is developed to analyze complex flow including transition flow, discontinuous flow, and wave propagation to dry bed emerging at natural river flow. The bed slope term of two dimensional shallow water equation consisting of integral conservation law is treated efficiently by applying quasi-steady wave propagation scheme. In order to apply Finite Volume Method using Fractional Step Method, MUSCL scheme is applied based on HLL Riemann solver, which is second-order accurate in time and space. The TVD method is applied to prevent numerical oscillations in the second-order accurate scheme. The developed model is verified by comparing observed data of two dimenstional levee breach experiment and dam breach experiment containing structure at lower section of channel. Also effect of the source term is verified by applying to dam breach experiment considering the adverse slope channel.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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제17권9호
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pp.799-807
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2005
The flow characteristics and the heat transfer rate on a surface by the interaction of a pair of vortices are studied numerically. To analyze the common flow up produced by vortex generators in a rectangular channel flow, the pseudo-compressibility viscous method is introduced into the Reynolds-averaged Navier-Stokes equation for 3-dimensional unsteady, incompressible viscous flows. To predict turbulence characteristics, a two-layer $k-\varepsilon$ turbulence model is used on the flat plate 3-dimensional turbulence boundary The computational results predict accurately Reynolds stress, turbulent kinetic energy and flow field generated by the vortex generators. The numerical results, such as thermal boundary layers, skin friction characteristics and heat transfers, are also reasonably close to the experimental data.
In this study, we conducted flume experiments to investigate the three-dimensional flow structures around a half-submerged spur dike in a straight open channel flume. The experiments were carried out under the two different Froude numbers, 0.10 and 0.18. The results were compared with the previous experimental result conducted for non-submerged spur dike. Three-dimensional instantaneous velocities were measured using Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) and water elevation data were collected using ultra sonic distance sensor. The results show that submergence conditions of the spur dike largely influence the three-dimensional flow structures around a spur dike.
The characteristics of Prand시-Meyer expansion of supersonic flow with condensation along a wavy wall in a channel are investigated by means of experiments and numerical analyses. Experiments are carried out for the case of moist air flow in an intermittent indraft supersonic wind tunnel. The flow fields are visualized by a Schlieren system and the distributions of static pressure along the upper wavy wall are measured by a scanning valve system with pressure transducers. In numerical analyses, the distributions of streamlines, Mach lines, iso-pressure lines, and iso-mass fractions of liquid are obtained by the two-dimensional direct marching method of characteristics. The effects of stagnation temperature, absolute humidity, and attack angle of the upper wavy wall on the generation and the locations of generation and reflection of an oblique shock wave are clarified. Futhermore, it is confirmed that the wavy wall plays an important role in the generation of an oblique shock wave and that the effect of condensation on the flow fields is apparent.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제31권3호
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pp.272-281
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2007
A numerical simulation on nitrogen gas flow in a long parallel plate microchannel was performed to obtain the effect of compressibility and rarefaction on gaseous flow in microchannels. The simulation was based on steady. two dimensional compressible Navier-Stokes and energy equations with noslip and first order slip boundary conditions. The channel was $1.2{\mu}m$ deep and $3000{\mu}m$ long. The Reynolds numbers were in the range of order from $10^{-2}$ to $10^{-1}$. So the flow was assumed to be laminar. The computations were performed on various pressure ratios. The outlet pressure was fixed to atmospheric pressure. The outlet Knudsen number was 0.0585, consequently the flow was in the slip flow regime. The computations were performed with the assumption of isothermal channel walls. The results were compared with the experimental data. The agreement was good.
Rarefied gas flows through two-dimensional micro channels are studied numerically for the performance optimization of a nanomembrane-based Knudsen compressor. The effects of the wall temperature distributions on the thermal transpiration flow patterns are examined. The flow has a pumping effect, and the mass flow rates through the channel are calculated. The results show that a steady one-way flow is induced for a wide range of the Knudsen number. The DSMC(direct simulation Monte Carlo) method with VHS(variable hard sphere) model and NTC(no time counter) techniques has been applied in this work to obtain numerical solutions. A critical element that drives Knudsen compressor Is the thermal transpiration membrane. The membranes are based on aerosol or machined aerogel. The aerogel is modeled as a single micro flow channel.
Kim, Jae-Cheol;Park, Rae-Joon;Cho, Young-Rho;Kim, Sang-Baik;Kim, Sin;Ha, Kwang-Soon
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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제31권5호
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pp.482-490
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2007
When a molten corium is relocated in a lower head of a reactor vessel, the ERVC (External Reactor Vessel Cooling) system is actuated as coolant is supplied into a reactor cavity to remove a decay heat from the molten corium during a severe accident. To achieve this severe accident mitigation strategy, the two-phase natural circulation flow in the annular gap between the external reactor vessel and the insulation should be formed sufficiently by designing the coolant inlet/outlet area and gap size adequately on the insulation device. For this reason, one-dimensional natural circulation flow tests and the simple analysis were conducted to estimate the natural circulation flow under the ERVC condition of APR1400. The experimental facility is one-dimensional and scaled down as the half height and 1/238 channel area of the APR1400 reactor vessel. The calculated circulation flow rate was similar to experimental ones within about ${\pm}$15% error bounds and depended on the form loss due to the inlet/outlet area.
A numerical study for a two dimensional multi-jet with crossflow of the spent fluid has been carried out. Three different distributions of mass-flow rate at 5 jet exits were assumed to see their effects upon the flow characteristics, especially in the jet-flow region. For each distribution, various Reynolds numbers ranging from laminar to turbulent flows were considered. Calculations drew the following items as conclusion. 1) The development of the free jets issued from downstream jets was hindered by the crossflow formed due to jets. Consequently, the free jet was developed into the channel flow without any evident symptom of impingement jet flow characteristics 2) The crossflow induced the pressure gradient along the cross section of jet exits and the value of the pressure gradient increased as going downstream. The crossflow generated also the turbulent kinetic energy as it collied with the downstream jets. 3) The skin friction coefficient along the impingement plate was affected more by the distribution of mass flow rate at jet exits rather than by the Reynolds number. The skin friction coefficient was inversely proportional to the square root of the Reynolds number, regardless of flow regime when a fully developed flow was formed in the jet flow region. 4) The distribution of the skin friction coefficient along the impingement plate was found to be controlled by adjusting the distribution of mass flow rate at jet exits.
Flaw visualization and velocity field measurement methods have practical applications in the various fluid engineering fields, such as mechanics, ships, and heat fluids. In this study, the basic principles and theoretical methods are used to establish an application technique of Particle Imae Velocimetry(abbreviated to PIV below). Accordingly, the measured results of velocity field distribution of a section inside the Circulating Water Channel (abbreviated to CWC below) are computed using the PIV is presented. The uniformity of velocity distribution of the section in CWC is confirmed, by comparing this PIV data with the existing current meter data. Also, in order to measure the flaw fields of surroundings of 2-dimensional cylinder in the CWC, the flaw visualization technique using the PIV is applied.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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