Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.4
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pp.523-532
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2001
A simultaneous measurement of wall vorticity and near-wall streamwise velocity fluctuations has been performed using a V-type wall vorticity probe and an I-type velocity probe to investigate the relation between them. Long-time averaged space-time correlations show that the wall vorticity is highly correlated with a turbulence structure which is tilted from the wall in the streamwise direction and that there is a streamwise vortex pair near the wall. It is shown that a structure correlated with the streamwise wall vorticity is smaller than and prior to a structure correlated with the spanwise wall vorticity. Tilting angles are obtained from the phase shift between the wall vorticity and streamwise velocity fluctuations. The tilting angle of the structure correlated with the streamwise wall vorticity is larger than that of the structure correlated with the spanwise wall vorticity. The convection velocity of the near-wall streamwise velocity fluctuations obtained from the space-time correlation is in good agreement with previous results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.8
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pp.1068-1076
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2001
The relations between wall pressure fluctuations and near-wall streamwise vortices are investigated in a spatially-developing turbulent boundary layer using the direct numerical simulation. The power spectra and two-point correlations of wall pressure fluctuations are presented to validate the present simulation. Emphasis is placed on the identification of the correlation between wall pressure fluctuations and streamwise vorticities. It is shown that wall pressure fluctuations are directly linked with the upstream streamwise vortices in the buffer region of the turbulent boundary layer. The maximum correlation occurs with the spanwise displacement from the location of wall pressure fluctuations. The conditionally-averaged vorticity field and the quadrant analysis of Reynolds shear stress indicate that the sweep events due to streamwise vortices generate positive wall pressure fluctuations, while negative wall pressure fluctuations are created beneath the ejection events and vortex cores. The instantaneous flow field and time records reveal that the rise of high wall pressure fluctuations coincide with the passages of the upstream streamwise vortices.
The objective of this study is to analyze the effect of velocity and vorticity on stratified mixture formation in the visualization engine. In order to investigate spray behavior, the pray velocity is obtained through the cross-correlation PIV method, a useful optical diagnostics technology and the vorticity calculated from the spray velocity component. These results elucidated the relationship between vorticity and entropy, which play an important role in the diffusion process for the early injection case and the stratification process for the late injection case. In addition, we quantified the homogeneous diffusion ate of spray using entropy analysis based on Boltzmann's statistical thermodynamics. Using these methods, we discovered that the homogeneous mixture distribution is more effective as a momentum dissipation of surrounding air than that of the spray concentration with a change in the injection timing. We found that the homogenous diffusion rate increased as the injection timing moved to the early intake stroke process, and BTDC $60^{\circ}$ was the most efficient injection timing for the stratified mixture formation during the compression stroke.
The characteristics of methanol and methanol blended (M85) sprays were investigated under atmospheric conditions at various temperature, ranging from on-vaporizing to vaporizing ambient conditions (298∼353 K). From laser scattering images, the macroscopic characteristics of the spray, such as the spray tip penetration and the spray angle, were determined. Entropy concept was introduced to represent homogeneity and PIV analysis was adopted to determine the fluid dynamic information at each location of the spray. The correlation between entropy and vorticity strength enabled us to find their relations. The effect of ambient composition, mainly of viscous effect as affected by CO$_2$levels, was investigated using PIV and entropy analysis. Spray width and entropy value were found to tend to decrease at increased CO$_2$levels.
A PTV algorithm was constructed using a linear transformation, in which the merits of the conventional PIV and PTV were adopted. In PIV calculations, the obtained velocity vectors are affected by the filtering effects by its calculation principle. PTV techniques are widely used for their excellences of measuring small scaled flows, such as nano and bio flows. However, PTVs produce vector errors due to interpolation process. To overcome these problems, a hybrid PTV algorithm was constructed by combining PTVs' and PIVs' benefits using a linear transformation. The Taylor-Green vortex flows were generated for the tests of vorticity calculations. The conventional gray-level cross-correlation PIV technique and 2-Frame PTV technique were tested for the same flows for comparisons with those obtained by the constructed hybrid algorithm. The excellence of the constructed hybrid algorithm was validated through an actual experiment on the cylinder wake.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.10
no.6
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pp.19-26
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2002
The objective of this study is to examine a DI(Direct Injection) gasoline spray development process under different ambient pressures using PIV(Particle Image Velocimetry). fuel spray experiments were performed within a constant volume chamber. The spray structure, velocity maps, velocity and vorticity contours were obtained to investigate its spray characteristics. It was found that higher ambient pressure has a significant effect on radial growth of the spray. The position which has a maximum velocity moved from the spray edge to the spray center as ambient pressure was increased. Higher ambient pressure moved a maximum vorticity position upward of the spray.
Near-wake flow field of a circular cylinder is studied by means of a cinematic PIV system with high sampling rate and large internal memory block. Experiments are conducted in a closed-cycle water tunnel system and a cross-correlation algorithm in conjunction with FFT (Fast Fourier Transform) analysis and an offset correlation technique is used for vector processing. With the help of very high sampling frequency compared to the shedding frequency, it is possible to obtain phase-averaged information of the three-dimensional wake, even though the shedding is not forced but natural. Phase-locked vortical structures observed simultaneously from the spanwise and cross-stream planes are displayed in the wake-transition regime where fine-scale secondary vortices have a spanwise wavelength or around one diameter. Spatial relations and temporal evolutions of the primary Karman vortex and the secondary vortex are also discussed schematically.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.7
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pp.1047-1054
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2002
To improve the fuel consumption and exhaust emission for gasoline engines, GDI(Gasoline Direct Injection) system was spotlighted to solve above requirements. Thus, many researchers have been studied to investigate the spray characteristics and the mixture formation of GDI injector. In this study, we tried to study the spray characteristics of a gasoline direct injector by using entropy analysis and PlV methods. The entropy analysis is based on the concept of statistical entropy, and it identifies the degree of homogeneity in the fuel concentration. The PlV method was adopted to determine the fluid dynamics information at the spray. From the applied results on a direct injection gasoline spray, we could find that the direct diffusion phenomena was a dominant factor in the formation of a homogeneous mixture at downstream of GDI spray especially under vaporizing ambient conditions, and mixing phenomena was also progressed by momentum exchange with induced air. In addition, the correlation between entropy and vorticity strength enabled to find their relation.
The tumble or swirl flow is used to promote mixing of air and fuel in the cylinder and to enlarge turbulent intensity in the end of the compression stroke. Since the in-cylinder flow is a kind of transient state with rapid flow variation, which is non-steady state flow, the tumble or swirl flow has not been analyzed sufficiently whether they are applicable to combustion theoretically. In the investigation of intake turbulent characteristics using PIV method, typical flow characteristics were figured out by SCV configurations. An engine installed SCV had higher vorticity and turbulent strength by fluctuation and turbulent kinetic energy than a baseline engine, especially near the cylinder wall and lower part of the cylinder. Above all, the engine with SCV 8 was superior to the others in aspect of vorticity and turbulent strength. For energy dissipation, a baseline engine had much higher energy loss than the engine installed SCV because flow impinged on the cylinder wall. Consequently, as swirl flow was added to existing tumble flow, it was found that fluctuation increased and flow energy was conserved effectively through the experiment.
Tumble or swirl flow is used adequately to promote mixing of air and fuel in the cylinder and to enlarge turbulent intensity in the late time of compression stroke. However, since in-cylinder flow is a kind of transient state with rapid flow variation, that is, non-steady state flow, swirl or tumble flow has not been analyzed sufficiently and not been recognized whether they are available for combustion theoretically yet. In the investigation of intake turbulent characteristics using PIV method, different flow characteristics were showed according to SCV figures. SCV installed engine had higher vorticity, turbulent strength by fluctuation and turbulent kinetic energy than a baseline engine, especially around the wall and lower part of the cylinder. Consequently, as swirl flow was added to existing tumble flow, it was found that fluctuation component increased and flow energy was conserved effectively through the experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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