Shock tube flow measurement has been often troubled with a finite opening time of diaphragm, but there is no systematic work to investigate its effect on the shock tube flow. In the present study, both the experimental and computational works have been performed on the shock tube flows at low pressure ratios. The computational analysis has been performed using the two-dimensional, unsteady, compressible Navier-Stokes equations, based upon a TVD MUSCL finite difference scheme. It is known that the present computational results reproduce the experimental data with good accuracy and simulate successfully the process of diaphragm opening as a function of time. The concept of an imaginary center is introduced to specify the non-centered expansion wave due to a finite opening time of diaphragm. The results obtained show that the diaphragm opening time is reduced as the initial pressure ratio of shock tube increases, leading to the effect of a finite opening time of diaphragm to be more remarkable at low pressure ratios.
Flow phenomena such as the pressure transients Inside a high-speed railway tunnel and the Impulsive waves at the exit of the tunnel are closely associated with the characteristics of the entry compression wave, which is generated by a train entering the tunnel. Tunnel entrance hood may be an effective means for alleviating the Impulsive waves and pressure transients. The objective of the current work is to explore the effects of the train nose shape and the entrance hood on the characteristics of the entry compression wave. Numerical calculations using the method of characteristics were applied to one-dimensional, unsteady, compressible flow field with respect to high-speed railway/tunnel systems. Two types of the entrance hoods and various train nose shapes were employed to reveal their influences on the entry compression wave for a wide range of train speeds. The results showed that the entry compression wave length increases as the train nose becomes longer and the train speed becomes lower. The entry compression wave length in the tunnel with hood becomes longer than that of no hood. Maximum pressure gradient in the compression wavefront reduces by the entrance hood. The results of the current work provide useful data for the design of tunnel entrance hood.
The twin impulse wave leads to very complicated flow fields, such as Mach stem, spherical waves, and vortex ring. The twin impulse wave discharged from the exits of the two tubes placed in parallel is investigated to understand detailed flow physics associated with the twin impulse wave, compared with those in a single impulse wave. In the current study, the merging phenomena and propagation characteristics of the impulse waves are investigated using a shock tube experiment and by numerical computations. The Harten-Yee's total variation diminishing (TVD) scheme is used to solve the unsteady, two-dimensional, compressible, Euler equations. The Mach number $M_{s}$, of incident shock wave is changed below 1.5 and the distance between two-parallel tubes, L/d, is changed from 1.2 to 4.0. In the shock tube experiment, the twin impulse waves are visualized by a Schlieren optical system for the purpose of validation of computational work. The results obtained show that on the symmetric axis between two parallel tubes, the peak pressure produced by the twin-impulse waves and its location strongly depend upon the distance between two parallel tubes, L/d and the incident shock Mach number, $M_{s}$. The predicted Schlieren images represent the measured twin-impulse wave with a good accuracy.
Plate impingement of the impulse wave discharged from the open end of a duct is numerically investigated using a CFD method. Harten-Yee Total Variation Diminishing method is used to solve the unsteady, compressible flow governing equations. The Mach number, the flat plate inclination and the distance between the duct exit and inclined flat plate are changed to investigate their effects on the impinging flow field. The impulse wave impingement on the inclined flat plate depends on Mach number $M_s$ and the plate inclination $\psi$. The pressure distributions on the inclined flat plate show that for a small r/D, the peak pressure at the center of an inclined flat plate decreases with an increase in the plate inclination $\psi$ in the range of $\psi$ from $45^{\circ}$ to $60^{\circ}$ but for a large r/D, the peak pressure decreases with an increase in $\psi$ in the range of $\psi$ from $75^{\circ}$ to $90^{\circ}$. It is also found that for all of r/D, the peak pressure at the center of an inclined flat plate has a maximum value in $\psi=90^{\circ}$.
When a safety valve equipped in a nuclear power plant opens in an instant by an accident, a moving shock wave propagates downstream the valve, inducing a complicated unsteady flow field. The moving shock wave may exert severe load to the structure. So, to reduce the load acting on the wall of POSRV, a gradual opening of POSRV is adopted in general. In theses connections, a numerical work is performed to investigate the effect of valve opening time on the unsteady flow fields downstream of the valve. Compressible, two-dimensional Navier-Stokes equations are used with the finite volume method. The obtained results show that sharp pressure rise through moving shock tor the case of instant opening is attenuated by employing the gradual opening of valve. It is turned that the flows for the two cases of gradual valve opening time show the similar to that of highly under-expanded one in jet structure having expansion and compression waves and Mach stem. Also, comparing with the results for the two cases of opening time, the shorter the valve opening is, the pressure gradient at the downstream of the valve becomes softly.
The unsteady turbulent flow characteristics of NACA4406 airfoil at close proximity to the pound are numerically investigated, especially focused on the noise generation mechanism near the blunt trailing edge. The unsteady two-dimensional compressible Wavier-Stokes equations with a Spalart-Allmaras turbulence closure model are solved by the 6th-order compact scheme and the 4th-order Runge-Kutta scheme. The computation shows a noise generation by a feedback mechanism at the blunt tailing edge, where the acoustic-fluidic coupling occurs between the wall-reflected sound waves and the periodically disturbed turbulent shear layer.
High-speed moist air or steam flow has long been of important subject in engineering and industrial applications. Of many complicated gas dynamics problems involved in moist air flows, the most challenging task is to understand the nonequilibrium condensation phenomenon when the moist air rapidly expands through a flow device. Many theoretical and experimental studies using supersonic wind tunnels have devoted to the understanding of the nonequilibrium condensation flow physics so far. However, the nonequilibrium condensation can be also generated in the subsonic flows induced by the unsteady expansion waves in shock tube. The major flow physics of the nonequilibrium condensation in this application may be different from those obtained in the supersonic wind tunnels. In the current study, the nonequilibrium condensation phenomenon caused by the unsteady expansion waves in a shock tube is analyzed by using the two-dimensional, unsteady, Navier-Stokes equations, which are fully coupled with a droplet growth equation. The third-order TVD MUSCL scheme is applied to solve the governing equation systems. The computational results are compared with the previous experimental data. The time-dependent behavior of nonequilibrium condensation of moist air in shock tube is investigated in details. The results show that the major characteristics of the nonequilibrium condensation phenomenon in shock tube are very different from those in the supersonic wind tunnels.
A numerical study of the unsteady flow in an over-expanded thrust optimized contour and compressed truncated perfect rocket nozzle is carried out in present paper. These rocket nozzles are subject to flow separation in transient phase at engine start-up and/or engine shut-down. The separation flow structures at different pressure ratios are observed. The start-up process exhibits two different shock structures such as FSS (Free Shock Separation) and RSS (Restricted Shock Separation). For a range of pressure ratios, hysteresis phenomenon occurs between these two separation patterns. A three-dimension compressible Navier-Stokes solver is used for the present study. One equation Spalart-Allmaras turbulence model is selected. The computed nozzle wall pressures show a good agreement with the experimental measurements. Present results have shown that present code can be used for the analysis of the transient flows in nozzle.
Flow field around helicopter involves incompressible flow near the blade root and compressible flow at the blade tip. A problem occurs for low Mach number flow due to the stiffness of the governing equations. Time-derivative preconditioning techniques have been incorporated to reduce the stiffness that occurs at low speed region. The preconditioned form of the compressible Navier-Stokes and Euler equations is used. Computations are performed for the Caradonna-Tung's hovering and non-lifting forward flight case. Computational results are in good agreement with the experimental data.
Flow field around helicopter involves incompressible flow near the blade root and compressible flow at the blade tip. A problem occurs for low Mach number flow due to the stiffness of the governing equations. Time-derivative preconditioning techniques have been incorporated to reduce the stiffness that occurs at low speed region. The preconditioned form of the compressible Navier-Stokes and Euler equations is used. Computations are performed for the Caradonna-Tung's hovering and non-lifting forward flight case. Computational results are in good agreement with the experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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