A simple Lagrangian pdf model is proposed with a new numerical algorithm for application in wall-bounded turbulent flows. To investigate the performance of the Lagrangian model, we minimize model's dependence on empirical constants by selecting the simplest model for turbulent dissipation rate. The effect of viscosity is also included by adding a Brownian random walk calculate the position of a particle. For the no-slip condition at the wall and correct nearwall behavior of velocity, we develop a new boundary treatment for the particles that strike the wall. By applying the model to a fully developed turbulent channel flow at low Reynolds number, we investigate the model's performance through comparison with direct numerical simulation result.
Hambric, Stephen A.;Shaw, Matthew D.;Campbell, Robert L.
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.6
no.6
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pp.515-528
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2019
The structural vibrations of a flat plate induced by fluctuating wall pressures within wall-bounded transonic jet flow downstream of a high-aspect ratio rectangular nozzle are simulated. The wall pressures are calculated using Hybrid RANS/LES CFD, where LES models the large-scale turbulence in the shear layers downstream of the nozzle. The structural vibrations are computed using modes from a finite element model and a time-domain forced response calculation methodology. At low flow speeds, the convecting turbulence in the shear layers loads the plate in a manner similar to that of turbulent boundary layer flow. However, at high nozzle pressure ratio discharge conditions the flow over the panel becomes transonic, and the shear layer turbulence scatters from shock cells just downstream of the nozzle, generating backward traveling low frequency surface pressure loads that also drive the plate. The structural mode shapes and subsonic and transonic surface pressure fields are transformed to wavenumber space to better understand the nature of the loading distributions and individual modal responses. Modes with wavenumber distributions which align well with those of the pressure field respond strongly. Negative wavenumber loading components are clearly visible in the transforms of the supersonic flow wall pressures near the nozzle, indicating backward propagating pressure fields. In those cases the modal joint acceptances include significant contributions from negative wavenumber terms.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.8
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pp.1088-1094
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2002
A channel flow with a high Reynolds number but coarse grids is numerically studied to investigate the prediction possibility of its turbulence which is three-dimensional and time-dependent. In the present paper, a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) model, a Large Eddy Simulation (LES) and a Navier-Stokes equation with no model are tested with a new approach of hybrid RANS/LES, which reduces to RANS model in the boundary layers and at separation, and to Smagorinsky-like LES downstream of separation, and then compared with each other. It is found that the simulations of hybrid RANS/LES method sustain turbulence like those of LES and with no model, and the results are stable and fairly accurate. This indicates strongly that gradual improvements could lead to a simple, stable, and accurate approach to predict turbulence phenomena of wall-bounded flow.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.4
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pp.346-352
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2009
The objective of the present work is to improve numerical predictions of unsteady turbulent swirling flows in the draft tubes of hydraulic power plants. We present Large Eddy Simulation (LES) results on a simplified draft tube consisting of a straight conical diffuser. The basis of LES is to solve the large scales of motion, which contain most of the energy, while the small scales are modeled. LES strategy is here preferred to the average equations strategies (RANS models) because it resolves directly the most energetic part of the turbulent flow. LES is now recognized as a powerful tool to simulate real applications in several engineering fields which are more and more frequently found. However, the cost of large-eddy simulations of wall bounded flows is still expensive. Bypass methods are investigated to perform high-Reynolds-number LES at a reasonable cost. In this study, computations at a Reynolds number about 2 $10^5$ are presented. This study presents the result of a new near-wall model for turbulent boundary layer taking into account the streamwise pressure gradient (adverse or favorable). Validations are made based on simple channel flow, without any pressure gradient and on the data base ERCOFTAC. The experiments carried out by Clausen et al. [1] reproduce the essential features of the complex flow and are used to develop and test closure models for such flows.
The three-dimensional turbulent flow in curved pipes susceptible to flow-accelerated corrosion has been analyzed numerically to predict the pressure and shear stress distributions on the inner surface of the pipes. The analysis employs the body-fitted non-orthogonal curvilinear coordinate system and a standard $ {\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence model with wall function method. The finite volume method is used to discretize the governing equations. The convection term is approximated by a high-resolution and bounded discretization scheme. The cell-centered, non-staggered grid arrangement is adopted and the resulting checkerboard pressure oscillation is prevented by the application of a modified version of momentum interpolation scheme. The SIMPLE algorithm is employed for the pressure and velocity coupling. The numerical calculations have been performed for two curved pipes with different bend angles and curvature radii, and discussions have been made on the distributions of the primary and secondary flow velocities, pressure and shear stress on the inner surface of the pipe to examine applicability of the present analysis method. As the result it is seen that the method is effective to predict the susceptible systems or their local areas where the fluid velocity or local turbulence is so high that the structural integrity can be threatened by wall thinning degradation due to flow-accelerated corrosion.
A response of a swept wing boundary layer to a single free-stream stationary axial vortex of a limited spanwise extent is considered as an example of typical problems that one can find in laminar-turbulent transition research and control. The response is dominated by streamwise velocity perturbations that grow quasi-exponentially downstream. It is shown that the formation of the boundary layer disturbance occurs for the most part close to the leading edge. The disturbance represents itself a wave packet consisted of the waves with characteristics specific for cross-flow instability. However, an admixture of growing disturbances whose origin can be attributed to transient effects and to a distributed receptivity mechanism is also identified.
Lustro, Julius Rhoan T.;Kawahara, Genta;van Veen, Lennaert;Shimizu, Masaki
Journal of computational fluids engineering
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v.20
no.4
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pp.58-62
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2015
Recent studies on wall-bounded shear flow have emphasized the significance of the stable manifold of simple nonlinear invariant solutions to the Navier-Stokes equation in the formation of the boundary between the laminar and turbulent regions in state space. In this paper we present newly discovered homoclinic orbits of the Kawahara and Kida(2001) periodic solution in plane Couette flow. We show that as the Reynolds number decreases a pair of homoclinic orbits move closer to each other until they disappear to exhibit homoclinic tangency.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.9
no.1
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pp.23-32
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1997
Swirling turbulent flows downstream of an abrupt axisymmetric expansion in a pipe are analyzed numerically by a second-order turbulence closure. Predictions for the flows without swirl and with strong swirl are obtained. The governing differential equations are discretized by finite volume approach. The results show that the on-axis recirculation induced by the strong swirl is correctly reproduced. The predictions for mean velocity components and turbulent normal stresses agree well with experimental data far downstream of expansion, but show large discrepancies in wall-bounded recirculation zone.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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