The spanwise flow structure around a rigid smooth circular cylinder model in cross-flow has been investigated based on the experimental data obtained from a series of wind tunnel tests. Surface pressures were collected at five spanwise locations along the cylinder over a Reynolds number range of $1.14{\times}15^5$ to $5.85{\times}10^5$, which covered sub-critical, single-bubble and two-bubble regimes in the critical range. Separation angles were deduced from curve fitted to the surface pressure data. In addition, spanwise correlations and power spectra analyses were employed to study the spatial structure of flow. Results at different spanwise locations show that the transition into single-bubble and two-bubble regimes could occur at marginally different Reynolds numbers which expresses the presence of overlap regions in between the single-bubble regime and its former and later regimes. This indicates the existence of three-dimensional flow around the circular cylinder in cross-flow, which is also supported by the observed cell-like surface pressure patterns. Relatively strong spanwise correlation of the flow characteristics is observed before each transition within the critical regime, or formation of first and second separation-bubbles. It is also noted that these organized flow structures might lead to greater overall aerodynamic forces on a circular cylinder in cross-flow within the critical Reynolds number regime.
This experimental study concerns the characteristics of a transitional flow in a concentric annulus with a diameter ratio of 0.52, whose outer cylinder is stationary and inner one rotating. The pressure drops and skin-friction coefficients have been measured for the fully developed flow of water and that of glycerine-water solution (44%) at a inner cylinder rotational speed of $0{\sim}600$ rpm, respectively. The transitional flow has been examined by the measurement of pressure drops and the visualization of flow field, to reveal the relation of the Reynolds and Rossby numbers with the skin-friction coefficients and to understand the flow instability mechanism. The present results show that the skin-friction coefficients have the significant relation with the Rossby numbers, only for laminar regime. The occurrence of transition has been checked by the gradient changes of pressure drops and skin-friction coefficients with respect to the Reynolds numbers. The increasing rate of skin-friction coefficient due to the rotation is uniform for laminar flow regime, whereas it is suddenly reduced for transitional flow regime and, then, it is gradually declined for turbulent flow regime. Consequently, the critical (axial-flow) Reynolds number decreases as the rotational speed increases. Thus, the rotation of inner cylinder promotes the early occurrence of transition due to the excitation of taylor vortices.
Koo, Bonguk;Yang, Jianming;Yeon, Seong Mo;Stern, Frederick
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권3호
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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.
This study investigated torque characteristics for Couette flow experimentally under circumstaces that ferrofluids were between two coaxial spheres. Torque measurement was obtained for the situation where the inner sphere was rotating while the outer sphere was kept stationary. The magnetic field was imposed on the fluid, using a bar magnet which was inserted in the inner sphere. In the laminar flow region the torque increase when the magnetic field is applied and the critical Reynolds number is increased. However, in the transition regime, the effect of the magnetic field on the torque characteristics decrease as Reynolds number increases. The value of torque were the same as those of glycerine solution beyond the cirtical Reynolds number. We also made experimental equation which could obtain coefficient of torque within critical Reynolds number in terms of sphere spacing Reynolds number and magnetic properties of ferrofluid.
단열을 통한 유체의 유동은 선형유동이 우세하다는 가정아래 Navier-Stokes 방정식에서 유도된 Stokes 방정식, Reynolds 식(또는 local cubic law), cubic law 와 같은 방정식을 이용하여 해석되고 있다. 하지만 이러한 방정식은 선형 흐름에 국한되며, 비선형 유동영역에 적용하게 되면 오류가 발생한다. 본 연구에서는 레이저 계측기를 이용하여 정밀하게 측정한 3차원 단열 자료와 Navier-Stokes 방정식과 Stokes 방정식을 지배방정식으로 한 수치모델링을 수행함으로써 비선형 유동이 일어나는 현상과 임계 레이놀즈수를 제시하였다. 레이놀즈수가 10이상이 되면 유속의 제곱에 비례하는 관성력이 점성력을 충분히 압도할 정도로 커지면서 지하수 유동이 선형영역에서 비선형 유동영역으로 전환되는 것으로 분석되었다. 이는 평균 간극과 거친 정도가 다른 두 단열에서 모두 동일하게 나타났다. 비선형 유동의 발생기작은 소용돌이 구조의 발생과 성장에 의한 것으로 알려져 있지만, 본 연구결과 단순히 소용돌이 구조가 비선형 유동을 일으키는 아니라 유속이 증가하면서 관성력의 영향이 훨씬 큰 영향을 끼치게 되어 비선형 유동이 발생하는 것으로 나타났다.
The experimental study concerns the characteristics of a transitional flow in a concentric annulus with a diameter ration of 0.52, whose outer cylinder is stationary and inner one rotating. The pressure drops and skin-friction coefficients have been measured for the fully developed flow of water and that of glycerine-water solution (44%) at a inner cylinder rotational speed of $0{\sim}600$ rpm, respectively. The transitional flow have been examined by the measurement of pressure drops and the visualization of flow field, to reveal the relation of the Reynolds and Rossby numbers with the skin-friction coefficients and to understand the flow instability mechanism. The present results show that the skin-friction coefficients have the significant relation with the Rossby numbers, only for laminar regime. The occurrence of transition has been checked by the gradient changes of pressure drops and skin-friction coefficients with respect to the Reynolds numbers. The increasing rate of skin-friction coefficient due to the rotation is uniform for laminar flow regime, whereas it is suddenly reduced for transitional flow regime and, then, is gradually declined for turbulent flow regime. Consequently, the critical (axial-flow) Reynolds number decreases as the rotational speed increases. Thus, the rotation of inner cylinder promotes the early occurrence of transition due to the excitation of taylor vortices.
The present experimental and numerical investigations are performed for the characteristics of transitional flow in a concentric annulus with a diameter ratio of 0.52, whose outer cylinder is stationary and inner one rotating. The pressure losses and skin- friction coefficients have been measured for the fully developed flow of water and glycerine-water solution (44%) with the inner cylinder rotating at speed of 0∼600 nm, respectively. The transitional flow has been examined by the measurement of pressure losses to reveal the relation of the Reynolds and Rossby numbers with the skin-friction coefficients. The occurrence of transition has been checked by the gradient changes of pressure losses and skin-friction coefficients with respect to the Reynolds numbers. The increasing rate of skin-friction coefficient due to the rotation is uniform for laminar flow regime, whereas it is suddenly reduced for transitional flow regime and, then, it is gradually declined for turbulent flow regime.
This experimental study concerns the characteristics of vortex flow in a concentric annulus with a diameter ratio of 0.52, whose outer cylinder is stationary and inner one is rotating. Pressure losses and skin friction coefficients have been measured for fully developed flows of water and of 0.4% aqueous solution of sodium carboxymethyl cellulose (CMC), respectively, when the inner cylinder rotates at the speed of 0~600 rpm. Also, the visualization of vortex flows has been performed to observe the unstable waves. The results of present study reveal the relation of the bulk flow Reynolds number Re and Rossby number Ro with respect to the skin friction coefficients. In somehow, they show the existence of flow instability mechanism. The effect of rotation on the skin friction coefficient is significantly dependent on the flow regime. The change of skin friction coefficient corresponding to the variation of rotating speed is large for the laminar flow regime, whereas it becomes smaller as Re increases for the transitional flow regime and. then, it gradually approach to zero for the turbulent flow regime. Consequently, the critical (bulk flow) Reynolds number Re$\_$c/ decreases as the rotational speed increases. Thus, the rotation of the inner cylinder promotes the onset of transition due to the excitation of Taylor vortices.
A numerical study for a two dimensional multi-jet with crossflow of the spent fluid has been carried out. Three different distributions of mass-flow rate at 5 jet exits were assumed to see their effects upon the flow characteristics, especially in the jet-flow region. For each distribution, various Reynolds numbers ranging from laminar to turbulent flows were considered. Results show that a fully developed laminar flow exists above a certain Reynolds number whose exact value depends upon the mass flow rate distribution. AS the Reynolds number increases, the flow becomes transitional from downstream and finally a fully developed turbulent flow forms in the jet-flow region. The critical Reynolds number where the fully developed turbulent flow forms is quite dependent upon the distribution of mass-flow rate. One interesting result is that the distribution of the skin friction coefficient along the inpingement plate in the jet-flow region shows a consistent dependency on the Reynolds number, i.e. inversely proportional to the square root of the Reynolds number, regardless of flow regime.
This experimental study concerns the characteristics of a transitional flow in a concentric annulus with a diameter ratio of 0.52, whose outer cylinder is stationary and inner one rotating. The pressure losses and skin-friction coefficients have been measured for the fully developed flow of a 0.2 % aqueous solution of sodium carbomethyl cellulose (CMC) at a inner cylinder rotational speed of $0{\sim}600$ rpm. The transitional flow has been examined by the measurement of pressure losses, to reveal the relation of the Reynolds numbers with the skin-friction coefficients, in the laminar and transitional flow regimes. The occurrence of transition has been checked by the gradient change of pressure losses and skin-friction coefficient with respect to the Reynolds numbers. The increasing rate of skin-friction coefficient due to the rotation is uniform for laminar flow regime, whereas it is suddenly reduced for transitional flow regime and, then, it is gradually declined for turbulent flow regime. Consequently, the critical(axial-flow) Reynolds number decrease as the rotational speed increases. Thus, the rotation of inner cylinder promotes the early occurrence of transition due to the onset of taylor vortices.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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