Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.6
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pp.1603-1612
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1990
An experimental study is conducted to investigate the fluid flow and heat transfer around tubes arranged in line. All measurements are performed at Reynolds number 1.58*10$^{4}$ with varing tube spacings from the small pitch ratio(L/D=1.25) to the large pitch ratio(L/D=3.0). Mean static pressures and mean temperatures of the surface of tubes and mean velocities and turbulent intensities in tube banks are measured. The flow patterns and the characteristics of heat transfer are strongly influenced by the tube spacings. Especially, in the case of very small spacings(L/D=1.25), the flow between neighboring tubes becomes very stagnant and the heat transfer decreases. In the case of each tube spacing, the characteristics of heat transfer around the 3rd, the 4th and the 5th tubes are nearly similar to one another, because the flow around tubes becomes stable at the 3rd tubes. The local heat transfer has the peak value near the reattachment point which has the peak value of pressure, but the local heat transfer for the 2nd tube of L/D=1.25 without reattaching has the peak value at .theta.=75.deg.. For each pitch ratio, the mean heat transfer increases gradually toward the downstream tubes, because the oncoming flow through neighboring tubes comes closer to the forward and rear surfaces of the tube and the turbulent intensity becomes larger in the downstream direction.
Aerodynamic effects, such as drag force and flow-induced vibration (FIV), on civil engineering structures can be minimized by optimally modifying the structure shape. This work investigates the turbulent wake of a square prism with its faces modified into a sinusoidal wave along the spanwise direction using three-dimensional large eddy simulation (LES) and particle image velocimetry (PIV) techniques at Reynolds number $Re_{Dm}$ = 16,500-22,000, based on the nominal width ($D_m$) of the prism and free-stream velocity ($U_{\infty}$). Two arrangements are considered: (i) the top and bottom faces of the prism are shaped into the sinusoidal waves (termed as WSP-A), and (ii) the front and rear faces are modified into the sinusoidal waves (WSP-B). The sinusoidal waves have a wavelength of $6D_m$ and an amplitude of $0.15D_m$. It has been found that the wavy faces lead to more three-dimensional free shear layers in the near wake than the flat faces (smooth square prism). As a result, the roll-up of shear layers is postponed. Furthermore, the near-wake vortical structures exhibit dominant periodic variations along the spanwise direction; the minimum (i.e., saddle) and maximum (i.e., node) cross-sections of the modified prisms have narrow and wide wakes, respectively. The wake recirculation bubble of the modified prism is wider and longer, compared with its smooth counterpart, thus resulting in a significant drag reduction and fluctuating lift suppression (up to 8.7% and 78.2%, respectively, for the case of WSP-A). Multiple dominant frequencies of vortex shedding, which are distinct from that of the smooth prism, are detected in the near wake of the wavy prisms. The present study may shed light on the understanding of the underlying physical mechanisms of FIV control, in terms of passive modification of the bluff-body shape.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.3
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pp.271-278
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2004
Numerical analysis of wind effects on civil engineering structures was performed. Aerodynamic effect often becomes a governing factor and aeroelastic stability boundary becomes a prime criterion which should be confirmed during the structural design stage of bridges because the long-span suspension bridges are prone to the aeroelastic instabilities caused by wind. If the wind velocity exceeds the critical velocity that the bridge can withstand, then the bridge fails due to the phenomenon of flutter. Navier-Stokes equations were used for the aeroelastic analysis of bridge girder section. The aeroelastic simulation is carried out to study the aeroelastic stability of bridges using both Computational Fluid Dynamic (CFD) and Computational Structural Dynamic (CSD) schemes. Critical flutter velocities were computed for bridges with different stiffness. It was confirmed that the critical flutter velocity of bridge girder section was sensitive to the change of structural stiffness.
In this research a numerical simulation method is developed for moving body in free surface flows using fixed staggered rectangular grid system. The non-linear free surface near the body is defined by marker-density method. The body boundary is defined by line segment connecting the points where the body surface and grid line meet. Continuity equation and Navier-Stokes equations are used as governing equations and the equations are coupled with two-step projection method. The velocities and pressures of body boundary and free surface cells are calculated with simultaneous iterative method. To treat a body movement in a fixed grid system, the volume displaced by moving body is added to the divergence of the body boundary cell. For the verification of the present numerical method. vortex shedding period of advancing cylinder is calculated and the period is compared with existing experiment results. Moreover, added mass and damping coefficients of a vertically excited box are calculated and the computed results are compared with published experiment results. Impulsive pressure and water level variation due to sloshing phenomenon are simulated and the results are compared with published experiment results. Varying the plunger shape, the waves generated by plunging type wave maker are compared with the 2nd order Stokes wave theory The plunger shape generating the wave that shows the best agreement with the theory is represented.
A plate type supporting structure of a tube bundle in axial flow generates a certain band of a high frequency periodic excitation of a vortex shedding and/or a flow separation due to sharp edge of the plate thickness and a severe pressure drop due to a cross-sectional area of the supports. With a design consideration of the low vibration and a small flow resistance, the analysis method is uniquely confined to an experimental approach because a complex geometry of a cylindrical tube bundle and/or physical phenomena related to the fluid-structure interaction of tube bundle in a flow impede a theoretical or a numerical approach. A 5x5 cylindrical tube bundle with 5 supports which were discretely located along the bundle's axis was tested in the FIVPET hydraulic test loop for a design evaluation and an analysis perspectives. A high frequency flow-induced vibration of the supporting structures of the cylindrical tube bundle was measured at a outer surface of a supporting structure through a transparent flow housing by the laser dopper vibrometer. Pressure drop in-between three measurement distances was measured by the differential pressure transmitter. High frequency vibration and pressure drop fairly depends on the geometric design of supporting structure. So, these two parameters would be used as a qualitative design variables for design evaluation and analysis.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.22
no.7
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pp.892-899
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2016
Gravity current flow past a subsea pipe above a scour based on computational fluid dynamics. For comparison, gravity current flow over pipe above a smooth bed also calculated, this configuration conventionally employed to consider the scour effect from an ideal approach. Interestingly, there different flow features and hydrodynamic forces between the scour and smooth bed cases. These results indicate that realistic conditionvery important investigatthe scour effect on gravity current flow around subsea pipe.
Scarabino, Ana;Sainz, Mariano Garcia;Bacchi, Federico;Delnero, J. Sebastian;Canchero, Andres
Wind and Structures
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v.23
no.1
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pp.1-18
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2016
This work experimentally and numerically analyzes the flow configurations and the dynamic wind loads on panels of rectangular L/h 5:1 cross section mounted on a structural frame of rectangular bars of L/h 0.5:1, corresponding to a radar structure. The fluid dynamic interaction between panels and frame wakes imposes dynamic loads on the panels, with particular frequencies and Strouhal numbers, different from those of isolated elements. The numerical scheme is validated by comparison with mean forces and velocity spectra of a panel wake obtained by wind tunnel tests. The flow configuration is analyzed through images of the numerical simulations. For a large number of panels, as in the radar array, their wakes couple in either phase or counter-phase configurations, changing the resultant forces on each panel. Instantaneous normal and tangential force coefficients are reported; their spectra show two distinct peaks, caused by the interaction of the wakes. Finally, a scaled model of a rectangular structure comprised of panels and frame elements is tested in the boundary layer wind tunnel in order to determine the influence of the velocity variation with height and the three-dimensionality of the bulk flow around the structure. Results show that the unsteady aerodynamic loads, being strongly influenced by the vortex shedding of the supporting elements and by the global 3-D geometry of the array, differ considerably on a panel in this array from loads acting on an isolated panel, not only in magnitude, but also in frequency.
Wind-induced vibration is a phenomenon that a struture is oscillated due to wind force such as buffeting, vortex shedding wake and etc., which is one of important characteristics to be considered for design in case that stack has significant slenderness ratio or low natural frequency. International design standards of stack define several criteria for evaluating the suitability of stack design, which describe the required design considerations for each range of design parameters and provide the instruction to verify the stack design against wind-induced vibration simply. However, there is a limitation that they cannot provide quantitative information in case code requirement cannot be satisfied due to constraints of plant space or economical design. In order to overcome the limiation of code, integrated numerical analysis of computational fluid dynamics, harmonic analysis and finite element analysis were proposed to investigate wind-induced vibration for multiple stacks in actual plant. Simulated results of mutual wake interference effect between adjacent stacks were evaluated and compared to the criteria in international standards.
Koo, Bonguk;Yang, Jianming;Yeon, Seong Mo;Stern, Frederick
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.3
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pp.529-561
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2014
The two-phase turbulent flow past an interface-piercing circular cylinder is studied using a high-fidelity orthogonal curvilinear grid solver with a Lagrangian dynamic subgrid-scale model for large-eddy simulation and a coupled level set and volume of fluid method for air-water interface tracking. The simulations cover the sub-critical and critical and post critical regimes of the Reynolds and sub and super-critical Froude numbers in order to investigate the effect of both dimensionless parameters on the flow. Significant changes in flow features near the air-water interface were observed as the Reynolds number was increased from the sub-critical to the critical regime. The interface makes the separation point near the interface much delayed for all Reynolds numbers. The separation region at intermediate depths is remarkably reduced for the critical Reynolds number regime. The deep flow resembles the single-phase turbulent flow past a circular cylinder, but includes the effect of the free-surface and the limited span length for sub-critical Reynolds numbers. At different Froude numbers, the air-water interface exhibits significantly changed structures, including breaking bow waves with splashes and bubbles at high Froude numbers. Instantaneous and mean flow features such as interface structures, vortex shedding, Reynolds stresses, and vorticity transport are also analyzed. The results are compared with reference experimental data available in the literature. The deep flow is also compared with the single-phase turbulent flow past a circular cylinder in the similar ranges of Reynolds numbers. Discussion is provided concerning the limitations of the current simulations and available experimental data along with future research.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.56
no.6
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pp.507-514
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2019
Computational studies of accelerating flow around 2D Circular Cylinder was performed to investigate characteristics of wake field and drag forces. Previous studies had revealed that drag on the cylindrical body in accelerating flow is much greater than that in the flow with constant velocity; however, the underlying physics on the drag increase has not been clearly investigated. In order to investigate the drag increase and its relationship with wake development, this study employed a finite-volume based CFD code, Fluent 13.0 with k-ω SST model for turbulence effects. Inflows are modeled with varied accelerations from 0.4905 to 9.81m/s2. The drag computed in the present study is in good agreement with previous studies, and clearly shows the increase compared to the drag on the body in the flow with constant velocity. The results also show that drag crisis observed at high Reynolds number in the case of the flow with constant velocity is also found in the case of accelerating flow. The analysis for wake and recirculation length shows that conventional vortex shedding does not occur even at high Reynolds number and the drag increase is larger at higher acceleration.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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