A numerical study was performed for a vane of a compressor with a high-turning angle and meridional divergence. At first, the effect of the suction position was discussed. Then, the optimal suction position was applied to the cascades with the aspect ratio of 2.53 and 0.3, respectively, to get the knowledge of the effect of the endwall boundary layer removal on the secondary flow along the blade height. At last, using the critical principles of the three-dimensional separation, the topological structures of the flow patterns of the body surfaces and the separation configurations were discussed in detail. The results show that the largest reduction of the total loss can be achieved when the suction slot is near the suction side. The topological structure as well as the separation configuration varies due to boundary layer removal, which restrains the flow separation at the corner and delays or depresses the separation on the suction surface. Compared with the original cascade, the cascade with the endwall boundary layer removal has a higher blade loading along the most span. Furthermore the flow loss decreases and distributes uniformly along the span.
A numerical model is constructed to simulate the interactions of oblique shock wave / turbulent boundary layer on a strongly heated wall. The heated wall temperature is two times higher than the adiabatic wall temperature and the shock wave is strong enough to induce boundary layer separation. The numerical diffusion in the finite volume method is reduced by the use of a higher order convection scheme(UMIST scheme) which is a TVD version of QUICK scheme. The turbulence model is Chen-Kim two time scale model. The comparison of the wall pressure distribution with the experimental data ensures the validity of this numerical model. The effect of strong wall heating enlarges the separation region upstream and downstream. In order to eliminate the separation, wall suction is applied at the shock foot position. The bleeding slot width is about same as the upstream boundary layer thickness and suction mass flow is 10% of the flow rate in the upstream boundary layer. The final configuration of the shock reflection pattern and the wall pressure distribution approach to the non-viscous value when wall suction is applied.
Large-Eddy Simulation (LES) is applied for the simulation of compressible flat plate boundary with Reynolds number up to 5 X 10$^{5}$ . Numerical examples include shock/boundary layer interaction and boundary layer transition, aiming future application to the analysis of transonic fan/compressor cascades. The present LES code uses hybrid com-pact/WENO scheme for the spatial discretization and compact diagonalized implicit scheme for the time integration. The present code successfully predicted the bypass transition of subsonic boundary layer. As for supersonic turbulent boundary layer, mean and fluctuation velocity of the attached boundary, as well as the evolution of the friction coefficient and the displacement thickness both upstream and downstream of the separation region are all in good agreement with experiment. The separation point also agreed with the experiment. In the simulation of the shock/laminar boundary layer interaction, the dependence of the transition upon the shock strength is reproduced qualitatively, but the extent of the separation region is overpredicted. These numerical examples show that LES can predict the behavior of boundary layer including transition and shock interaction, which are hardly managed by the conventional Reynolds-averaged Navier-Stokes approach, although there needs to be more effort before achieving quantitative agreement.
An experimental study on the flow over the axisymmetric backward-facing step was carried out. The purpose of the present study is to investigate the effect of the boundary layer thickness at the separation point on the reattachment length and to understand the structure of the recirculating flows. Local mean and fluctuating velocity components were measured in the separating and reattaching axisymmetric turbulent boundary layer over the wall of convex cylinder placed in a water tunnel by using 2-color 4-beam fiber optics laser Doppler velocimetry. The study demonstrated that the reattachment length increases with increasing boundary layer thickness. It was also observed that the reverse flow velocity and turbulent kinetic energy decrease with an increase in the momentum thickness at the separation point. The measured velocity field suggests that the boundary layer thickness at the separation can affect definitely on the formation of corner eddy.
A visualization study on the boundary layer and near-wake of an NACA 0012 airfoil was con-ducted in order to investigate the influence of boundary layer behavior on the near-wake at low Reynolds numbers. The present study is investigated at static angles of attack ${\alpha}=0^{\circ},\;3^{\circ},\;6^{\circ}$ and $Re=2.3{\times}10^4,\;3.3{\times}10^4,\;4.8{\times}10^4$ by using a smoke-wire technique. The results of this study show that the laminar boundary layer on the airfoil surface is attached to the surface at ${\alpha}=0^{\circ}$, and that laminar separation of boundary layer on the airfoil surface occurs at ${\alpha}=3^{\circ}$. Furthermore, reattachment of the boundary layer occurs in the case of ${\alpha}=6^{\circ}$. In the current study, the location of the laminar separation point moves upstream as the Reynolds number and the angle of attack increase.
A great number of experimental data indicating shock-induced separation(SIS) in internal or external supersonic flows were reviewed to make clear the mechanism of SIS and to present the criterion of turbulent boundary layer separation. The interesting conclusions were obtained for the considerably wide range of flow geometries that the incipient separation is almost independent of the flow geometries, and that it is relatively unaffected by changes in gas specific heat, and boundary layer Reynolds number, Furthermore, the pressure rise necessary to separate boundary layer in external flows was found to be applicable to SIS in overexpanded propulsion nozzles. This is due to the fact that the SIS phenomenon caused by the interaction between shock waves and turbulent boundary layers is processed through a supersonic deceleration. This is, the SIS in almost all of interacting flow fields is governed by the concept of free interaction, and criterion of SIS is only a Function of upstream Mach number.
Experimental study was performed to investigate the flow behavior in boundary layer on the blade suction surface of a multi-stage axial flow compressor, which was focused on the third stage of the 4-stage Low Speed Research Compressor. Flow measurements in the boundary layer were obtained using a boundary layer hot wire probe, which was traversed normal to the blade suction surface at small increments by the probe traverse specially designed. Detailed boundary layer flow measurements covering most of the stator suction surface were taken and are described using time mean and ensemble averaged velocity profiles. Amplitude of the velocity fluctuation and turbulence intensity in the boundary layer flow are also discussed. At midspan, narrow but strong wake zone due to passing wake disturbances is generated in the boundary layer near the blade leading edge for the rotor blade passing period. Corner separation is observed at the tip region near the trailing edge, which causes to increase steeply the boundary layer thickness.
In this paper, we present a detailed mechanism of drag reduction by dimples and roughness on a sphere by measuring the streamwise velocity above the dimpled and roughened surfaces, respectively. Dimples cause local flow separation and trigger the shear layer instability along the separating shear layer, resulting in generation of large turbulence intensity. With this increased turbulence, the flow reattaches to the sphere surface with high momentum near the wall and overcomes strong adverse pressure gradient formed in the rear sphere surface. As a result, dimples delay main separation and reduce drag significantly. The present study suggests that generation of a separation bubble, i.e. a closed-loop streamline consisting of separation and reattachment, on a body surface is an important flow-control strategy for drag reduction on a bluff body such as the sphere and cylinder. In the case of roughened sphere, the boundary layer flow is directly triggered by roughness and changes to a turbulent flow. Due to this change, the drag significantly decreases. As the Reynolds number further increases, transition to turbulence occurs earlier on the sphere surface. Because of faster growth of turbulent boundary layer by roughness, earlier transition thickens the boundary layer, resulting in earlier separation and drag increase with increasing Reynolds number
An experimental study was conducted to investigate the effect of Reynolds number on compressible convex-corner flows, which correspond to an upper surface of a deflected flap of an aircraft wing. The flow is naturally developed along a flat plate with two different lengths, resulting in different incoming boundary layer thicknesses or Reynolds numbers. It is found that boundary layer Reynolds number, ranging from $8.04{\times}10^4$ to $1.63{\times}10^5$, has a minor influence on flow expansion and compression near the corner apex in the transonic flow regime, but not for the subsonic expansion flow. For shock-induced separated flow, higher peak pressure fluctuations are observed at smaller Reynolds number, corresponding to the excursion phenomena and the shorter region of shock-induced boundary layer separation. An explicit correlation of separation length with deflection angle is also presented.
Two compression ramp problems and an impinging shock problem are computed to investigate influence of turbulence models and eddy viscosity on the shock-wave / boundary layer interaction. A Navier-Stokes boundary layer generation code was applied to the generation of inflow boundary conditions. Computational results are validated well with the experimental data and effects of turbulence models are investigated. It is shown that the behavior of turbulence (eddy) viscosity directly affects both the extent of the separation and shock-wave positions over the separation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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