Viscoelastic instabilities are of fundamental importance to understanding the physics of complex fluids and of practical importance to materials processing and fluid characterization. Significant progress has been made over the past 15 years in understanding instabilities in viscoelastic flows with curved streamlines and is reviewed here. Taylor-Couette flow, torsional flow between a cone and plate, and torsional flow between parallel plates have received special attention due to both the basic significance of these flows and their critical role in rheometry. First, we review the criteria for determining when these flows become unstable due to elasticity in the absence of inertia, and discuss the generalization of these criteria to more complex flows with curved streamlines. Then, focusing on experiments and simulations in the Taylor-Couette problem, we review how thermal sensitivity (i.e., the dependence of fluid viscosity and elasticity on temperature) and inertia affect the stability of viscoelastic flows. Finally, we conclude with some general thoughts on unresolved issues and remaining challenges related to viscoelastic instabilities.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.1
no.1
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pp.38-46
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2008
Studies on cavitation instabilities of hydrofoils and cascades are reviewed to obtain fundamental understandings of the instabilities observed in turbopump inducers. Most of them are based on the stability analysis of two-dimensional inviscid cavitating flow. The most important finding of the analysis is that the cavitation instabilities depend only on the mean cavity length. For a hydrofoil, the characteristic length is the chord length and partial/transitional cavity oscillation occurs with shorter/longer cavity than 75% of the chord length. For cascades, the characteristic length is the blade spacing and various modes of instabilities are predicted when the mean cavity is longer than 65% of the spacing. In the last part, rotating choke is shown to occur when the cavity becomes longer than the spacing.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.7
no.3
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pp.94-100
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2014
In double-suction centrifugal pumps, it was found that cavitation instabilities occur with vibration and a periodic chugging noise. The present study attempts to identify cavitation instabilities in the double-suction centrifugal pump by the experiment and Computational Fluid Dynamics (CFD). Cavitation instabilities in the tested pump were classified into three types of instabilities. The first one, in a range of cavitation number higher than breakdown cavitation number, is cavitation surge with a violent pressure oscillation. The second one, in a range of cavitation number higher than the cavitation number of cavitation surge, is considered to be rotating cavitation and causes the pressure oscillation due to the interaction of rotating cavitation with the impeller. Last one, in a range of cavitation number higher than the cavitation number of rotating cavitation, is considered to be a surge type instability.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.9
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pp.1284-1291
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2002
Combustion instabilities are an important concern associated with lean premixed combustion. Laboratory-scale dump combustor was used to understand the underlying mechanisms causing combustion instabilities. Experiments were conducted at atmospheric pressure and sound level meter was used to track the pressure fluctuations inside the combustor. Instability maps and phase-resolved OH chemiluminescence images were obtained at several conditions to investigate the mechanism of combustion instability and relations between pressure wave and heat release rate. It showed that combustion instability was susceptible to occur at higher value of equivalence ratio (>0.6) as the mean velocity was decreased. Instabilities exhibited a longitudinal mode with a dominant frequency of ∼341.8 Hz, which corresponded to a quarter wave mode of combustor. Heat release and pressure waves were in-phase when instabilities occurred. Rayleigh index distribution gave a hint about the location where the strong coherence of pressure and heat release existed. These results also give an insight to the control scheme of combustion instabilities. Emission test revealed that NOx emissions were affected by not only equivalence ratio but also combustion instability.
Proceedings of the Korea Association of Crystal Growth Conference
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1996.06a
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pp.179-200
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1996
The intrinsic instabilities of fluid flow occurred in the melt of the Czochralski crystal growth system Czochralski method, asymmetric flow patterns and temperature profiles in the melt have been studied by many researchers. The idea that the non-symmetric structure of the growing equipment is responsible for the asymmetric profiles is usually accepted at the first time. However further researches revealed that some intrinsic instabilities not related to the non-symmetric equipment structure in the melt could also appear. Ristorcelli had pointed out that there are many possible causes of instabilities in the melt. The instabilities appears because of the coupling effects of fluid flow and temperature profiles in the melt. Among the instabilities, the B nard type instabilities with no or low crucible rotation rates are analyzed by the visualizing experiments using X-ray radiography and the 3-D numerical simulation in this study. The velocity profiles in the Silicon melt at different crucible rotation rates were measured using X-ray radiography method using tungsten tracers in the melt. The results showed that there exits two types of fluid flow mode. One is axisymmetric flow, the other is asymmetric flow. In the axisymmetric flow, the trajectory of the tracers show torus pattern. However, more exact measurement of the axisymmetrc case shows that this flow field has small non-axisymmetric components of the velocity. When fluid flow is asymmetric, the tracers show random motion from the fixed view point. On the other hand, when the observer rotates to the same velocity of the crucible, the trajectory of the tracer show a rotating motion, the center of the motion is not same the center of the melt. The temperature of a point in the melt were measured using thermocouples with different rotating rates. Measured temperatures oscillated. Such kind of oscillations are also measured by the other researchers. The behavior of temperature oscillations were quite different between at low rotations and at high rotations. Above experimental results means that the fluid flow and temperature profiles in the melt is not symmetric, and then the mode of the asymmetric is changed when rotation rates are changed. To compare with these experimental results, the fluid flow and temperature profiles at no rotation and 8 rpm of crucible rotation rates on the same size of crucible is calculated using a 3-dimensional numerical simulation. A finite different method is adopted for this simulation. 50×30×30 grids are used. The numerical simulation also showed that the velocity and flow profiles are changed when rotation rates change. Futhermore, the flow patterns and temperature profiles of both cases are not axisymmetric even though axisymmetric boundary conditions are used. Several cells appear at no rotation. The cells are formed by the unstable vertical temperature profiles (upper region is colder than lower part) beneath the free surface of the melt. When the temperature profile is combined with density difference (Rayleigh-B nard instability) or surface tension difference (Marangoni-B nard instability) on temperature, cell structures are naturally formed. Both sources of instabilities are coupled to the cell structures in the melt of the Czochralski process. With high rotation rates, the shape of the fluid field is changed to another type of asymmetric profile. Because of the velocity profile, isothermal lines on the plane vertical to the centerline change to elliptic. When the velocity profiles are plotted at the rotating view point, two vortices appear at the both sides of centerline. These vortices seem to be the main reason of the tracer behavior shown in the asymmetric velocity experiment. This profile is quite similar to the profiles created by the baroclinic instability on the rotating annulus. The temperature profiles obtained from the numerical calculations and Fourier transforms of it are quite similar to the results of the experiment. bove esults intend that at least two types of intrinsic instabilities can occur in the melt of Czochralski growing systems. Because the instabilities cause temperature fluctuations in the melt and near the crystal-melt interface, some defects may be generated by them. When the crucible size becomes large, the intensity of the instabilities should increase. Therefore, to produce large single crystals with good quality, the behavior of the intrinsic instabilities in the melt as well as the effects of the instabilities on the defects in the ingot should be studied. As one of the cause of the defects in the large diameter Silicon single crystal grown by the
The local instabilities of accretion disks were extensively studied, with the considerations of radial advection, thermal diffusion and different disk geometry, dominated pressure and optical depth. Two inertial-acoustic modes in a geometrically thin, radiative cooling dominated disk depart from each other if very little advection is included. A geometrically slim, advection-dominated disk is found to be always stable if it is optically thin. However, if it is optically thick, the thermal diffusion has no effect on the stable viscous mode but has a significant contribution to enhance the thermal instability.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.3
no.2
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pp.137-149
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2010
The purpose of the present research is to suppress cavitation instabilities by using a circumferential groove. The circumferential groove was designed based on CFD so that the tip leakage vortex is trapped by the groove and does not interact with the next blade. Experimental results show that the groove can suppress rotating cavitation, asymmetric cavitation and cavitation surge. However, weak instabilities with higher frequency could not be suppressed by the groove. From the analysis of pressure pattern similar to that for rotor-stator interaction, it was found that the higher frequency components are caused by the interaction of backflow vortices with the inducer blades.
Russell, Thomas P.;Lin, Zhiqum;Schaffer, Erik;Steiner, Ullrich
Fibers and Polymers
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v.4
no.1
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pp.1-7
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2003
Electrospinning is emerging as a simple means of producing fibers with diameters ranging from 0.02 $\mu\textrm{m}$ to many microns. Electrospinning, however, relies on the force generated by an electric field on the surface of a polymer solution to either enhance instabilities in a thinning jet or to rapidly elongate a jet of polymer solution form a nozzle. In this article the fundamental physics and fluid dynamics on the subject matter are described, and tome of the relevant parameters in electrodynamic instabilities at polymer interfaces are discussed in some detail.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.2
no.3
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pp.206-214
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2009
Alternate blade cavitation, rotating cavitation and cavitation surge in rocket turbopump inducers were simulated by a three dimensional commercial CFD code. In order to clarify the cause of cavitation instabilities, the velocity disturbance caused by cavitation was obtained by subtracting the velocity vector under non-cavitating condition from that under cavitating condition. It was found that there exists a disturbance flow towards the trailing edge of the tip cavity. This flow has an axial flow component towards downstream which reduces the incidence angle to the next blade. It was found that all of the cavitation instabilities start to occur when this flow starts to interact with the leading edge of the next blade. The existence of the disturbance flow was validated by experiments.
The objective of this paper is to characterize dynamic pressure traces measured at self-excited combustion instabilities occurring in two combustion systems of different hardware. One system is a model lean premixed gas turbine combustor and the other a fullscale bipropellant liquid rocket thrust chamber. It is commonly observed in both systems that low frequency waves at around 300㎐ are first excited at the onset of combustion instabilities and after a short duration, the instability mode becomes coupled to the resonant acoustic modes of the combustion chamber, the first longitudinal mode for the lean premixed combustor and the first tangential mode for the rocket thrust chamber. Low frequency waves seem to get excited at first since flame shows the higher heat release response on the lower frequency perturbations with the smaller phase differences between heat release and pressure fluctuations. Nonlinear time series analysis of pressure traces reveals that even stable combustion might have chaotic behavior with the positive maximum Lyapunov exponent. Also, pressure fluctuations under combustion instabilities reach a limit cycle or quasi-periodic oscillations at the very similar run conditions, which manifest that a self-excited high frequency instability has strong nonlinear characteristics.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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