Experimental and numerical studies on the unsteady wake field behind a square cylinder near a wall were conducted to find out how the vortex shedding mechanism is correlated with gap flow. The computations were performed by solving unsteady 2-D Incompressible Reynolds Averaged Navier-Stokes equations with a newly developed ${\epsilon}-SST$ turbulence model for more accurate prediction of large separated flows. Through spectral analysis and the smoke wire flow visualization, it was discovered that velocity profiles in a gap region have strong influences on the formation of vortex shedding behind a square cylinder near a wall. From these results, Strouhal number distributions could be found, where the transition region of the Strouhal number was at $G/D=0.5{\sim}0.7$ above the critical gap height. The primary and minor shedding frequencies measured in this region were affected by the interaction between the upper and the lower separated shear layer, and minor shedding frequency was due to the separation bubble on the wall. It was also observed that the position (y/G) and the magnitude of maximum average velocity $(u/u_{\infty})$ in the gap region affect the regular vortex shedding as the gap height increases.
Control of horseshoe vortex in the circular cylinder-plate juncture using vortex generator (VG) was studied at $Re_D$(where D is the diameter of the cylinder) = $2.05{\times}10^5$. Impact of a number of parameters e.g., the shape of the VG's, number of VG pairs (n), spacing between the VG and the cylinder leading edge (L), lateral gap between the trailing edges of a VG pair (g), streamwise gap between two VG pairs ($S_{VG}$) and the spacing between the two VG's in parallel arrangement ($Z_{VG}$) etc. were investigated on the horseshoe vortex control. The study is conducted using surface oil flow visualization and surface pressure measurements in low speed wind tunnel. It is observed that all the parameters studied have significant control effect, either by reduction in separation region or by lowering the adverse pressure along the symmetric axis upstream of the juncture.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제17권2호
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pp.139-148
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2016
The passive control methods such as horizontal and vertical fences on the lower surface of the bluff body were applied to suppress the vortex shedding and enhance the aerodynamic stability of flow. For investigating the effects of the passive control methods, wind tunnel experiments on the unsteady flow field around a bluff body near a moving ground were performed. The boundary layer and velocity profiles were measured by the Hot Wire Anemometer (HWA) system and the vortex shedding patterns and flow structures in a wake region were visualized via the Particle Image Velocimetry (PIV) system. Also, it is a measuring on moving ground condition that the experimental values of the critical gap distances, Strouhal numbers and aerodynamic force FFT analyses. Through the experiments, we found that the momentum supply due to moving ground caused the vortex shedding at the lower critical gap distance rather than that of fixed ground. The horizontal and vertical fences increase the critical gap distance and it can suppress the vortex shedding. Consequently, the stability characteristics of the bluff body near a moving ground could be effectively enhanced by the simple passive control such as the vertical fences.
Flow interference is investigated between two tripped cylinders of identical diameter D at stagger angle ${\alpha}=0^{\circ}{\sim}180^{\circ}$ and gap spacing ratio $P^*$ (= P/D) = 0.1 ~ 5, where ${\alpha}$ is the angle between the freestream velocity and the line connecting the cylinder centers, and P is the gap width between the cylinders. Two tripwires, each of diameter 0.1D, were attached on each cylinder at azimuthal angle ${\beta}={\pm}30^{\circ}$, respectively. Time-mean drag coefficient ($C_D$) and fluctuating drag ($C_{Df}$) and lift ($C_{Lf}$) coefficients on the two tripped cylinders were measured and compared with those on plain cylinders. We also conducted surface pressure measurements to assimilate the fluid dynamics around the cylinders. $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ all for the plain cylinders are strong function of ${\alpha}$ and $P^*$ due to strong mutual interference between the cylinders, connected to six interactions (Alam and Meyer 2011), namely boundary layer and cylinder, shear-layer/wake and cylinder, shear layer and shear layer, vortex and cylinder, vortex and shear layer, and vortex and vortex interactions. $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ are very large for vortex and cylinder, vortex and shear layer, and vortex and vortex interactions, i.e., the interactions where vortex is involved. On the other hand, the interference as well as the strong interactions involving vortices is suppressed for the tripped cylinders, resulting in insignificant variations in $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ with ${\alpha}$ and $P^*$. In most of the (${\alpha}$, $P^*$ ) region, the suppressions in $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ are about 58%, 65% and 85%, respectively, with maximum suppressions 60%, 80% and 90%.
사각형 및 원형 출구 형상 synthetic jet의 수치적 연구를 통하여 유입류가 존재할 경우 평판에서의 유동 구조 및 유동 제어 효과를 분석하였다. 사각형 출구 형상의 경우, jet 직후에 강한 vortex가 생성되지만 주변에 적은 momentum을 공급하기 때문에 유입류 방향으로 갈수록 유동제어 효과가 감소하게 된다. 원형 출구 형상의 경우, 규칙적인 vortex의 형태가 slot 중앙부터 끝까지 나타나고 보다 멀리까지 jet vorticity의 영향이 미치게 된다. 유동제어 효과를 예상하기 위하여 위치 별 wall shear stress를 비교하였다. 이에 원형 출구 형상이 사각형 출구 형상보다 유동제어 효과가 더 클 것으로 판단된다. 또한 최적의 원형 출구 형상을 도출하기 위하여, hole gap과 diameter의 변화에 따른 유동 구조 및 유동 제어 효과를 비교 분석하였다. 그 결과, hole diameter와 gap를 고려하여 원형 출구 형상을 설계할 경우 유동제어 효과를 극대화 할 수 있음을 밝혔다.
This experimental study investigates the wake flow behind a pair of cylinders displaced normal to a free stream. In this experiment, the principal aim is to investigate the transition mechanism of the large vortex generating process in the wake having unique vortex shedding pattern. associated with the gap difference between the cylinders. The detailed visualization is carried out using the PIV measurement. The transition mechanism of the large generating vortex is clarified by showing the streak lines. the vorticity and the statistical fluctuating velocity distributions.
Vortex tube is a simple device which splits a compressed gas stream into a cold stream and a hot stream without any chemical reactions. The phenomena of energy separation taking place in a vortex tube has been investigated experimentally. Recently, vortex tube is widely used to local cooler of industrial equipments and air conditioner of special purpose. In this study, experimental study on vortex tube efficiency was performed with various cold end orifices and nozzles type. The experimental results indicate that there is an optimum diameter of cold end orifice and nozzle type for the best cooling performance. The variation of the maximum wall temperature along the vortex tube surface provides useful information about the location of the stagnation point of the flow field at the axis of the vortex tube. The similarity relation for the prediction of the temperature of the cold exit air was obtained.
The wire-wrapped fuel bundle is an assembly design in a sodium-cooled fast reactor. A wire spacer is used to maintain a constant gap between rods and to enhance the mixing of coolants. The wire makes the flow complicated by creating a sweeping flow and vortex flow. The vortex affects the flow field and heat transfer inside the subchannels. However, studies on vortices in this geometry are limited. The purpose of this research is to investigate the vortex flow created in the wire-wrapped fuel bundle. For analysis, a RANS-based numerical analysis was conducted for a 37-pin geometry. The sensitivity study shows that simulation with the shear stress transport model is appropriate. For the case of Re of 37,100, the mechanisms of onset, periodicity, and rotational direction were analyzed. The vortex structures were reconstructed in a three-dimensional space. Vortices were periodically created in the interior subchannel three times for one wire rotation. In the edge subchannel, the largest vortex occurred. This large vortex structure blocked the swirl flow in the peripheral region. The small vortex formed in the corner subchannel was negligible. The results can help in understanding the flow field inside subchannels with sweeping flow and vortex structures.
Laminar flow over a cube near a plane wall is numerically investigated in order to understand the effects of the cube-wall gap on the flow characteristics as well as the drag and lift coefficients. The main focus is placed on the three-dimensional vortical structures and its relation to the lift force applied on the cube. Numerical simulations are performed for the Reynolds numbers between 100 and 300, covering several different flow regimes. Without a wall nearby, the flow at Re=100 is planar symmetric with no vortical structure in the wake. However, when the wall is located close to the cube, a pair of streamwise vortices is induced behind the cube. At Re=250, the wall strengthens the existing streamwise vortices and elongates them in the streamwise direction. As a result, the lift coefficients at Re=100 and 250 increase as the cube-wall gap decreases. On the other hand, without a wall, vortex shedding takes place at Re=300 in the form of a hairpin vortex whose strength changes in time. The head of hairpin vortex or loop vortex, which is closely related to the lift force, seems to disappear due to the nearby wall. Therefore, unlike at Re=100 and 250, the lift coefficient tends to decrease more or less as the cube approaches the wall.
The present study is concerned with the heat transfer enhancement associated with a symmetrical or asymmetrical horseshoe vortex in front of and around the circular cylinder centered between the side walls of a wind tunnel. The static pressure measurements and the flow visualization in front of and around cylinders have been performed to determine the existence of horseshoe vortex. The hue-capturing method using the thermochromatic liquid crystals with great spatial resolution was used to obtain the local information of the endwall heat transfer coefficients. In case of one cylinder, the convective heat transfer coefficients of the region where the horseshoe vortex exists are larger than those of any other region. In case of two cylinders with tandem arrangement, the heat transfer rate of gap spacing (d/D= 1.5) is higher than that of gap spacings (d/D=2.0 or 2.5).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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