International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제9권3호
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pp.229-236
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2016
Exergetic analysis was introduced in optimization of a rotating equilateral triangular internal cooling channel with staggered square ribs to maximize the net exergy gain. The objective function was defined as the net exergy gain considering the exergy gain by heat transfer and exergy losses by friction and heat transfer process. The flow field and heat transfer in the channel were analysed using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations under the uniform temperature condition. Shear stress transport turbulence model has been selected as a turbulence closure through the turbulence model test. Computational results for the area-averaged Nusselt number were validated compared to the experimental data. Three design variables, i.e., the angle of rib, the rib pitch-to-hydraulic diameter ratio and the rib width-to-hydraulic diameter ratio, were selected for the optimization. The optimization was performed at Reynolds number, 20,000. Twenty-two design points were selected by Latin hypercube sampling, and the values of the objective function were evaluated by the RANS analysis at these points. Through optimization, the objective function value was improved by 22.6% compared to that of the reference geometry. Effects of the Reynolds number, rotation number, and buoyancy parameter on the heat transfer performance of the optimum design were also discussed.
The present study numerically simulates the flow and heat transfer characteristics of rib-induced secondary flow in a cooling channel with staggered V-shaped ribs, extruded on both walls. The rib pitch-to-height ratio (p/h) varies from 2.8 to 10 with the rib-height-to-hydraulic diameter ration ($h/D_h$) of 0.07 and the Reynolds number of 50,000. Shear stress transport (SST) turbulence model is used as a turbulence model. Computational results show that complex secondary flow patterns are generated in the duct due to the snaking flow in the streamwise direction for all tested cases. In the range of p/h=5 to 10 the staggered V-shaped rib gives about 3 times higher heat transfer augmentation than the reference smooth channel with high heat transfer on both front side and the area around the leading edge of the ribs, while the former cases give about 2.5 times higher streamwise pressure drop than the latter ones. Consequently, for the thermal performances, based on the equal pumping power condition, the staggered ones give about 2 times higher values than the latter ones with more uniform heat transfer distribution.
본 연구에서는 DVM의 이론적 배경과 수치계산에 대해 자세히 다루었다. 음향 교란이 가졌을 때의 재부착에 대한 수치해석결과는 Kiya등의 실험결과와 비교하 였으며 만족할만한 일치를 보여주었다. 결과 및 고찰에서는 주로 음향교란이 있는 경우의 재부착길이를 최소화하는 주파수와 교란이 없는 유동의 난류구조해석을 평균속 도 및 압력과 그의 섭동치, 그리고 파워 스펙트럼과 상관계수등을 통해 자세히 비교검 토하였다.
Probability-based design codes have been developed to sufficiently confirm the safety level of structures. One of the most acceptable probability-based approaches is Load Resistance Factor Design (LRFD), which measures the safety level of the structures in terms of the reliability index. The main contribution of this paper is to calibrate the load and resistance factors of the design code for tunnels. The load and resistance factors are calculated using the available statistical models and probability-based procedures. The major steps include selection of representative structures, consideration of the limit state functions, calculation of reliability for the selected structures, selection of the target reliability index and calculation of load factors and resistance factors. The load and resistance models are reviewed. Statistical models of resistance (load carrying capacity) are summarized for strength limit state in bending, shear and compression. The reliability indices are calculated for several segments of a selected circular tunnel designed according to the tunnel manual report (Tunnel Manual). The novelty of this paper is the selection of the target reliability. In doing so, the uniform spectrum of reliability indices is proposed based on the probability paper. The final recommendation is proposed based on the closeness to the target reliability index.
In this work, a simple four-variable integral plate theory is employed for examining the thermal buckling properties of functionally graded material (FGM) sandwich plates. The proposed kinematics considers integral terms which include the effect of transverse shear deformations. Material characteristics and thermal expansion coefficient of the ceramic-metal FGM sandwich plate faces are supposed to be graded in the thickness direction according to a "simple power-law" variation in terms of the "volume fractions" of the constituents. The central layer is always homogeneous and consists of an isotropic material. The thermal loads are supposed as uniform, linear, and nonlinear temperature rises within the thickness direction. The influences of geometric ratios, gradient index, loading type, and type sandwich plate on the buckling properties are examined and discussed in detail.
Conventional electrospray and air spray methods have the vulnerabilities of limited flow rate (throughput) and droplet size, respectively. Since high throughput with uniform size of droplet is required for various applications, an improved technique should be adopted. Here, we report a combined system of an air pressure and an electric field and evaluate the atomization performance of it. The air flow allowed applying high flow rate range and the electric field reinforced the atomization process to generate fine droplets. A correlation between two forces was investigated by comparing the droplet produced by each method. The atomized droplets were measured and visualized by image processing and a particle image velocimetry (PIV). The quantitative results were achieved from the parametric space and the effect of both forces was analyzed. The motion of charged droplets followed the outer electric field rather than the complex vortex in the shear layer so that the droplets accelerated directly toward the grounded collector.
Lal, Achchhe;Jagtap, Kirankumar R.;Singh, Birgu N.
Advances in Computational Design
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제2권3호
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pp.165-194
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2017
The present work proposes the thermo mechanically induced statistics of nonlinear transverse central deflection of elastically supported functionally graded (FG) plate subjected to static loadings with random system properties. The FG plate is supported on two parameters Pasternak foundation with Winkler cubic nonlinearity. The random system properties such as material properties of FG material, external loading and foundation parameters are assumed as uncorrelated random variables. The material properties are assumed as non-uniform temperature distribution with temperature dependent (TD) material properties. The basic formulation for static is based on higher order shear deformation theory (HSDT) with von-Karman nonlinear strain kinematics through Newton-Raphson method. A second order perturbation technique (SOPT) and direct Monte Carlo simulation (MCS) are used to compute the nonlinear governing equation. The effects of load parameters, plate thickness ratios, aspect ratios, volume fraction, exponent, foundation parameters, and boundary conditions with random system properties are examined through parametric studies. The results of present approaches are compared with those results available in the literature and by employing direct Monte Carlo simulation (MCS).
Results of flat plate compressible boundary layer calculation, based on discrete formulation of DSMC method, are presented in low Mach number and low Knudsen number range. The free stream is a uniform flow of pure nitrogen at various Mach numbers in low pressures (i.e. rarefied gas). Complete thermal accommodation and diffuse molecular reflections are used as the wall boundary condition, replacing unreal no-slip condition used in continuum calculations. In the discrete formulation of DSMC method, there is no need to use ad hoc assumptions on transport properties like viscosity and thermal conductivity, instead viscosity is calculated from values of other field variables (velocity and shear stress). Also the results are compared with existing self-similar continuum solutions. In all Mach number cases computed, velocity slip is most pronounced in regions near the leading edge where continuum formulation renders the solution singular. As the boundary layer develops further downstream, velocity slips asymptote to values that are between 10 to 20% of the magnitude of free stream velocity. When the free stream number density is reduced, so the gas more rarefied, the velocity slip increases as expected.
Aerodynamic characteristic of a small scale wind turbine under the influence of an incoming uniform wind field is studied using k-ω Shear Stress Transport turbulence model. Firstly, the lift and drag characteristics of the blade section consisting of S826 airfoil is studied using 2D simulations at a Reynolds number of 1×105. After that, the full turbine including the rotational effects of the blade is simulated using Multiple Reference Frames (MRF) and Sliding Mesh Interface (SMI) numerical techniques. The differences between the two techniques are quantified. It is then followed by a detailed comparison of the turbine's power/thrust output and the associated wake development at three tip speeds ratios (λ = 3, 6, 10). The phenomenon of blockage effect and spatial features of the flow are explained and linked to the turbines power output. Validation of wake profiles patterns at multiple locations downstream is also performed at each λ. The present work aims to evaluate the potential of the numerical methods in reproducing wind tunnel experimental results such that the method can be applied to full-scale turbines operating under realistic conditions in which observation data is scarce or lacking.
The main aim of this paper is enhancing design of traditional laminated composite plates subjected to static loads. In this regard, this paper suggests embedding a lightweight porous layer in the middle of laminated composite as the core layer of the resulted sandwich plate. The static responses of the suggested structures with uniform, symmetric and non-symmetric porosity distributions are compared to optimize their design. Using the first order shear deformation theories, the static governing equations of the suggested laminated composite plates with a porous layer (LCPPL) rested on two-parameter foundation are obtained. A finite element method is also utilized to solve the governing equations of LCPPLs. Effects of laminated composite and porosity characteristics as well as geometry dimension, edges' boundary conditions and foundation coefficients on the static deflection and stress distribution of the suggested composite plates have been investigated. The results reveal that the use of core between the layers of laminated composites leads to a sharp reduction in the static deflections of LCPPLs. Furthermore, in compare with perfect cores, the use of porous core between the layers of laminated composite plates can offer a considerable reduction in structural weight without a significant difference in their static responses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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