In this study, the lift coefficient and wave deformations for a two-dimensional flat-plate in non-cavitating condition were computed using a closed-form (analytic) solution. This plate moves at a constant speed beneath a free surface in water of finite depth. The model represents the flat-plate using a lumped vortex element within the constraints of potential flow theory. The kinematic and dynamic free surface conditions were combined and linearized. This linearized free surface condition was then applied to get the total velocity potential. The method of images was utilized to account for the effects of finite depth in the calculations. The lift coefficient of the flat-plate and wave elevations on the free surface were calculated using the closed-form solution. The lift coefficients derived from the present analytic solution were validated by comparing them with Plotkin's method in the case of deep water. Wave elevations were also compared with those obtained from a numerical method. A comprehensive discussion on the impact of Froude number, submergence depth of flat-plate from the calm free surface, the angle of attack and the depths of finite bottom on the results - namely, lift coefficients and free surface deformations - is provided.
The free surface influenced the wake behind a rotating propeller and its effects were investigated experimentally in a circulating water channel with the variation of water depth. Instantaneous velocity fields were measured using two-frame PIV technique and ensemble-averaged to study the phase-averaged flow structure in the wake region. For an isolated propeller, the flow behind the propeller is affected only by the propeller rotation speed, the leading on the blades and the proximity of the propeller to the free surface. The phase-averaged mean velocity fields show that the potential wake and the viscous wake developed on the blade surfaces. The interaction between the tip vortices and the slipstream causes the oscillating trajectory of tip vortices. The presence of the free surface greatly affected the wake structure, especially for propeller immersion depth of 0.6D. At small immersion depths, the free surface modified the tip and trailing vortices and the slipstream flow structure downstream of X/D = 0.3 in the propeller wake.
In order to simulate a free surface flow in a trench channel, a three-dimensional incompressible unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations are closed with the ${\kappa}-{\epsilon}$ model. The artificial compressibility (AC) method is used. Because the pressure fields can be coupled directly with the velocity fields, the incompressible Navier-Stokes (INS) equations can be solved for the unknown variables such as velocity components and pressure. The governing equations are discretized in a conservation form using a second order accurate finite volume method on non-staggered grids. In order to prevent the oscillatory behavior of computed solutions known as odd-even decoupling, an artificial dissipation using the flux-difference splitting upwind scheme is applied. To enhance the efficiency and robustness of the numerical algorithm, the implicit method of the Beam and Warming method is employed. The treatment of the free surface, so-called interface-tracking method, is proposed using the free surface evolution equation and the kinematic free surface boundary conditions at the free surface instead of the dynamic free surface boundary condition. AC method in this paper can be applied only to the hydrodynamic pressure using the decomposition into hydrostatic pressure and hydrodynamic pressure components. In this study, the boundary-fitted grids are used and advanced each time the free surface moved. The accuracy of our RANS solver is compared with the laboratory experimental and numerical data for a fully turbulent shallow-water trench flow. The algorithm yields practically identical velocity profiles that are in good overall agreement with the laboratory experimental measurement for the turbulent flow.
A free-surface correction(FSC) method is presented to solve the 3-D shallow water equations. Using the mode splitting process, FSC method can simulate shallow water flows under the hydrostatic assumption. For the hydrostatic pressure calculation, the momentum equations are firstly discretized using a semi-implicit scheme over the vertical direction leading to the tri-diagonal matrix systems. A semi-implicit scheme has been adopted to reduce the numerical instability caused by relatively small vertical length scale compare to horizontal one. and, as the free surface correction step the final horizontal velocity fields are corrected after the final surface elevations are obtained. Finally, the vertical final velocity fields can be calculated from the continuity equation. The numerical model is applied to the calculation of the simulation of flow fields in a rectangular open channel with the tidal influence. The comparisons with the analytical solutions show overall good agreements between the numerical results and analytical solutions.
Single-phase convection and partial nucleate boiling in free-surface and submerged jet impingements of subcooled water ejected through a 2-mm-diameter circular pipe nozzle were investigated by local measurements. Effects of jet velocity and nozzle-to-imping-ing surface distance as well as heat flux on distributions of wall temperature and heat transfer coefficients were considered. Incipience of boiling began from far downstream in contrast with the cases of the planar water jets of high Reynolds numbers. Heat flux increase and velocity decrease reduced the temperature difference between stagnation and far downstream regions with the increasing influence of boiling in partial boiling regime. The chance in nozzle-to-impinging surface distance from H/d=1 to 12 had a significant effect on heat transfer around the stagnation point of the submerged jet, but not for the free-surface jet. The submerged jet provided the lower cooling performance than the free-surface jet due to the entrainment of the pool fluid of which temperature increased.
A mathematical model, UNSATR which predicts the seepage flow through the body of dike especially under the tidal fluctuation has been developed. This model has been revised from UNSAT2 model which was developed on the basis of the saturated-unsaturated theory by Neuman. UNSATR has been verified and applied to the hydraulic model in order to estimated the seepage quantity, the formation of free water surface etc. The results lead to the following conclusions : 1. Seepage rates between the mathematical model and hydraulic model experiment are very similar to each other both in constant and transient water level conditions. 2. The lapsed time to be steady state of the free water surface becomes late as the tidal levels are relatively low mainly due to the seepage flow from the unsaturated zone of the body of dike. 3. Under the transient state of water levels, owing to the flow from the unsaturated domain, streamlines crossing to the free water surface are found and time lag during a falling tide may allow the free water surface inside the body of dike to stand at a high level than the outside water level. 4. The utility and validity of UNSATR model are convinced when the analyses on seepage problems through the porous embankment of the soil structures on the conditions of the steady and unsteady states are carried out.
본 논문은 자유수면에서 마이크로 중력식 와류 수차의 성능에 블레이드 상대위치 변화의 영향을 이해하는 것이다. 일정한 와류 유동에서 자유수면 아래 상대 와류 수심비(y/hv)의 범위 0 ~ 0.778 지점에 설치된 블레이드의 위치 변화에 따른 마이크로 와류 수차의 회전수, 전압 및 전류를 측정하였다. 유량은 0.0063 ~ 0.00662 m3/s 범위이다. 실험 결과는 유입되는 유속과 난류강도의 분포가 변하기 때문에 블레이드의 상대위치가 마이크로 와류 수차의 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 와류 수차에서 발생하는 에너지의 최대량은 상대 와류 수심비 0.111 ~ 0.222 지점에서 발생했다. 상대 와류 수심비 0.111 지점의 출력은 자유수면 아래 상대 와류 수심비 0.588 지점보다 약 2.4배 더 크게 나타난다.
An analytic methodology was developed for free surface motions between liquid metal coolant and cover gas in order to calculate the phenomena of gas entrainment in hot pool surface through IHX EMP and reactor core. The methodology was setup by applying the first order VOF convection model to CFX4 general purpose fluid dynamics analysis code. The methodology was validated by applying it to an experimental apparatus designed for free surface motions of KALIMER reactor. The distributions of free surface calculated by the present methodology were almost coincident with the experimental data. The developed methodology was applied to the KALIMER reactor of full power operating condition. The shapes of the free surface were nearly uniform. From the results, it was found that the altitude of the free surface from the IHX inlet nozzle of KALIMER reactor is high enough not to affect to free surface motions of generating gas bubbles from the turbulent shear flows such as hydraulic jump and water falls.
We experimentally investigate a rising toroidal bubble impacting a free surface. The toroidal bubble is created by releasing pulsed air. By adjusting the volume and circulation of the toroidal bubble, the characteristics of interactions between the toroidal bubble and the free surface are identified. Because of the impact by the toroidal bubble, the free surface is convexly deformed upwards above the center point of the toroidal bubble, while the edge of the deformed free surface is pulled down. When the circulation of the bubble becomes stronger, the surface which was pulled down breaks eventually, and air above the free surface is entrained into water, forming an unstable toroidal bubble. The deformations at the center and edge of the free surface are in a linear relationship with the Froude number and the Weber number, respectively.
This experimental study was performed to find rpms of the impeller and the surface flow accelerator to make a uniform velocity vertical distribution in the circular water channel. PIV technique was employed to measure the water velocity profiles into the water depth from the free surface. The number of instantaneous velocity profiles was decomposed into mean and turbulence velocity components, and the distribution of velocity fluctuation and turbulence intensity were computed for each experimental condition. From these results, the velocity uniformity was quantitatively determined to present the flow quality in the measuring section of the circular water channel. It has been shown that the proper operation of the surface flow accelerator would make the uniform velocity profiles and reduce the velocity fluctuation near the free surface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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