Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.36
no.10
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pp.939-946
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2008
Euler codes or Navier-Stokes codes for compressible flows suffer severe degradation in convergence as Mach number approaches zero. The convergence problem arose from the wide disparity in characteristic speeds can be solved using preconditioning methods without large modifications. In this paper, a preconditioned RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) solver is developed for analysis of low Mach number flows. In order to validate the method, computational examples are chosen and the results are compared with the experimental data and the existing computed results showing a good accuracy and convergence characteristics for steady inviscid, laminar and turbulent flows at low Mach number.
Efficient numerical method is developed for the prediction of aerodynamic noise generation and propagation in low Mach number flows such as aeolian tone noise. The proposed numerical method is based on acoustic/viscous splitting techniques of which acoustic solvers use simplified linearised Euler equations, full linearised Euler equations and nonlinear perturbation equations as acoustic governing equations. All of acoustic equations are forced with immersed surface dipole model which is developed for the efficient computation of aerodynamic noise generation and propagation in low Mach number flows in which dipole source, originating from unsteady pressure fluctuation on a solid surface, is known to be more efficient than quadrupole sources. Multi-scale overset grid technique is also utilized to resolve the complex geometries. Initially, aeolian tone from single cylinder is considered to examine the effects that the immersed surface dipole models combined with the different acoustic governing equations have on the overall accuracy of the method. Then, the current numerical method is applied to the simulation of the aeolian tones from twin cylinders aligned perpendicularly to the mean flow and separated 3 diameters between their centers. In this configuration, symmetric vortices are shed from twin cylinders, which leads to the anti-phase of the lift dipoles and the in-phase of the drag dipoles. Due to these phase differences, the directivity of the fluctuating pressure from the lift dipoles shows the comparable magnitude with that from the drag dipoles at 10 diameters apart from the origin. However, the directivity at 100 diameters shows that the lift-dipole originated noise has larger magnitude than, but still comparable to, that of the drag-dipole one. Comparison of the numerical results with and without mean flow effects on the acoustic wave emphasizes the effects of the sheared background flows around the cylinders on the propagating acoustic waves, which is not generally considered by the classic acoustic analogy methods. Through the comparison of the results using the immersed surface dipole models with those using point sources, it is demonstrated that the current methods can allow for the complex interactions between the acoustic wave and the solid wall and the effects of the mean flow on the acoustic waves.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.47
no.12
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pp.831-840
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2019
Flush Air Data Sensing system (FADS) estimates air data states using pressure data measured at the surface of flight vehicles. The FADS system does not require intrusive probes, so it is suitable for high performance aircrafts, stealth vehicles, and hypersonic flight vehicles. In this study, calibration procedures and solution algorithms of the FADS for a sphere-cone shape vehicle are presented for the prediction of air data from subsonic to supersonic flights. Five flush pressure ports are arranged on the surface of nose section in order to measure surface pressure data. The algorithm selects the concept of separation for the prediction of flow angles and the prediction of pressure related variables, and it uses the pressure model which combines the potential flow solution for a subsonic flow with the modified Newtonian flow theory for a hypersonic flow. The CFD code which solves Euler equations is developed and used for the construction of calibration pressure data in the Mach number range of 0.5~3.0. Tests are conducted with various flight conditions for flight Mach numbers in the range of 0.6~3.0 and flow angles in the range of -10°~+10°. Air data such as angle of attack, angle of sideslip, Mach number, and freestream static pressure are predicted and their accuracies are analyzed by comparing predicted data with reference data.
Eltaher, Mohamed A.;Omar, Fatema-Alzahraa;Abdraboh, Azza M.;Abdalla, Waleed S.;Alshorbagy, Amal E.
Smart Structures and Systems
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v.25
no.2
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pp.219-228
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2020
This work presents a modified continuum model to explore and investigate static and vibration behaviors of perforated piezoelectric NEMS structure. The perforated nanostructure is modeled as a thin perforated nanobeam element with Euler-Bernoulli kinematic assumptions. A size scale effect is considered by included a nonlocal constitutive equation of Eringen in differential form. Modifications of geometrical parameters of perforated nanobeams are presented in simplified forms. To satisfy the Maxwell's equation, the distribution of electric potential for the piezoelectric nanobeam model is assumed to be varied as a combination of a cosine and linear functions. Hamilton's principle is exploited to develop mathematical governing equations. Modified numerical finite model is adopted to solve the equation of motion and equilibrium equation. The proposed model is validated with previous respectable work. Numerical investigations are presented to illustrate effects of the number of perforated holes, perforation size, nonlocal parameter, boundary conditions, and external electric voltage on the electro-mechanical behaviors of piezoelectric nanobeams.
In the present article, wave dispersion behavior of a temperature-dependent functionally graded (FG) nanobeam undergoing rotation subjected to thermal loading is investigated according to nonlocal strain gradient theory, in which the stress numerates for both nonlocal stress field and the strain gradient stress field. The small size effects are taken into account by using the nonlocal strain gradient theory which contains two scale parameters. Mori-Tanaka distribution model is considered to express the gradually variation of material properties across the thickness. The governing equations are derived as a function of axial force due to centrifugal stiffening and displacements by applying Hamilton's principle according to Euler-Bernoulli beam theory. By applying an analytical solution, the dispersion relations of rotating FG nanobeam are obtained by solving an eigenvalue problem. Obviously, numerical results indicate that various parameters such as angular velocity, gradient index, temperature change, wave number and nonlocality parameter have significant influences on the wave characteristics of rotating FG nanobeams. Hence, the results of this research can provide useful information for the next generation studies and accurate deigns of nanomachines including nanoscale molecular bearings and nanogears, etc.
In this study, the thermal loading effect on free vibration characteristics of carbon nanotubes (CNTs) with multiple cracks is studied. Various boundary conditions for nanotube are taken in to account. In order to take the small scale effect, the nonlocal elasticity of Eringen is employed in the framework of Euler-Bernoulli beam theory. This theory states that the stress at a reference point is a function of strains at all points in the continuum. A cracked nanotube is assumed to be consisted of two segments that are connected by a rotational spring which is located in the position of the cracked section. Hamilton's principle is used to achieve the governing equations. Influences of the nonlocal parameter, crack severity, temperature change and the number of cracks on the system frequencies are investigated. Also, it is found that at room or lower temperature the natural frequency for CNT decreases as the value of temperature change increases, while at temperature higher than room temperature the natural frequency of CNT increases as the value of temperature change increases. Various boundary conditions have been applied to the nanotube.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.8
no.3
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pp.169-182
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2015
When simulating the dynamic behaviour of a hydro power plant, it is essential to have a good representation of the turbine behaviour. The pressure transients in the system occurs because the flow changes, which the turbine defines. The flow through the turbine is a function of the pressure, the speed of rotation and the wicket gate opening and is, most often described in a performance diagram or Hill diagram. In the Hill diagram, the efficiency is drawn like contour lines, hence the name. A turbines Hill diagram is obtained by performance tests on scaled model in a laboratory. However, system dynamic simulations have to be performed in the early stage of a project, before the turbine manufacturer has been chosen and the Hill diagram is known. Therefore one have to rely on diagrams for a turbine with similar speed number. The Hill diagram is drawn through measured points, so for using the diagram in a simulation program, one have to iterate in the diagram based on curve fitting of the measured points. This paper describes an alternative method. By means of the Euler turbine equation, it is possible to set up two differential equations which represents the turbine performance with good enough accuracy for the dynamic simulations. The only input is the turbine's main geometry, the runner blade in- and outlet angle and the guide vane angle at best efficiency point of operation (BEP). In the paper, simulated turbine characteristics for a high head Francis turbine, and for a reversible pump turbine are compared with laboratory measured characteristics.
The flow past a circular cylinder forced to vibrate transversely is numerically simulated by solving the two-dimensional Navier-Stokes equations modified by the vibration velocity of a circular cylinder at a Reynolds number of 164. The higher-order finite difference scheme is employed for the spatial discretization along with the second order Adams-Bashforth and the first order backward-Euler time integration. The calculated cylinder vibration frequency is between 0.60 and 1.30 times of the natural vortex-shedding frequency. The calculated oscillation amplitude extends to 25% of the cylinder diameter and in the case of the lock-in region it is 60%. It is made clear that the cylinder oscillation has influence on the wake pattern, the time histories of the drag and lift forces, power spectral density and phase diagrams, etc. It is found that these results include both the periodic (lock-in) and the quasi-periodic (non-lock-in) state. The vortex shedding frequency equals the driving frequency in the lock-in region but is independent in the non-lock-in region. The mean drag and the maximum lift coefficient increase with the increase of the forcing amplitude in the lock-in state. The lock-in boundaries are also established from the present direct numerical simulation.
KANG Shin-Jeong;TANAHASHI Mamoru;MIYAUCHI Toshio;NAM Cheong-Do;LEE Young-Ho
한국전산유체공학회:학술대회논문집
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2001.05a
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pp.181-188
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2001
The flow past a circular cylinder forced to vibrate transversely is numerically simulated by solving the two-dimensional Wavier-Stokes equations modified by the vibration velocity of a circular cylinder at a Reynolds number of 164. The higher-order finite difference scheme is employed for the spatial discretization along with the second order Adams-Bashforth and the first order backward-Euler time integration. The calculated cylinder vibration frequency is between 0.60 and 1.30 times of the natural vortex-shedding frequency. The calculated oscillation amplitude extends to $25\%$ of the cylinder diameter and in the case of the lock-in region it is $60\%$. It is made clear that the cylinder oscillation has influence on the wake pattern, the time histories of the drag and lift forces, power spectral density and phase diagrams, etc. It is found that these results include both the periodic (lock-in) and the quasi-periodic (non-lock-in) state. The vortex shedding frequency equals the driving frequency in the lock-in region but is independent in the non-lock-in region. The mean drag and the maximum lift coefficient increase with the increase of the forcing amplitude in the lock-in state. The lock-in boundaries are also established from the present direct numerical simulation.
The tailoring optimization technique recently developed by the author for improving structural response and energy absorption of composites is extended to sandwich shells using a previously developed zig-zag shell model with hierarchic representation of displacements. The in-plane variation of the stiffness properties of plies and the through-the thickness variation of the core properties are determined solving the Euler-Lagrange equations of an extremal problem in which the strain energy due to out-of-plane strains and stresses is minimised, while that due to their in-plane counterparts is maximised. In this way, the energy stored by unwanted out-of-plane modes involving weak properties is transferred to acceptable in-plane modes. As shown by the numerical applications, the critical interlaminar stress concentrations at the interfaces with the core are consistently reduced without any bending stiffness loss and the strength to debonding of faces from the core is improved. The structural model was recently developed by the author to accurately describe strain energy and interlaminar stresses from the constitutive equations. It a priori fulfills the displacement and stress contact conditions at the interfaces, considers a second order expansion of Lame's coefficients and a hierarchic representation that adapts to the variation of solutions. Its functional d.o.f. are the traditional mid-plane displacements and the shear rotations, so refinement implies no increase of the number of functional d.o.f. Sandwich shells are represented as multilayered shells made of layers with different thickness and material properties, the core being treated as a thick intermediate layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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