A simultaneous measurement of wall vorticity and near-wall streamwise velocity fluctuations has been performed using a V-type wall vorticity probe and an I-type velocity probe to investigate the relation between them. Long-time averaged space-time correlations show that the wall vorticity is highly correlated with a turbulence structure which is tilted from the wall in the streamwise direction and that there is a streamwise vortex pair near the wall. It is shown that a structure correlated with the streamwise wall vorticity is smaller than and prior to a structure correlated with the spanwise wall vorticity. Tilting angles are obtained from the phase shift between the wall vorticity and streamwise velocity fluctuations. The tilting angle of the structure correlated with the streamwise wall vorticity is larger than that of the structure correlated with the spanwise wall vorticity. The convection velocity of the near-wall streamwise velocity fluctuations obtained from the space-time correlation is in good agreement with previous results.
A simultaneous measurement of the wall skin friction and near-wall streamwise velocity fluctuations is performed using hot film and hot wire anemometers to investigate the relation between them. Near-wall turbulence statistics measured with a hot-wire probe are in good agreement with previous results. Turbulence properties of the wall skin friction fluctuations measured with a hot film also show fairly good agreements with those measured by others except that rms level is lower in the present study. Long-time averaged space- time correlations show that the wall skin friction is highly correlated with a turbulence structure which is tilted from the wall in the streamwise direction. Tilting angles are obtained from the phase shifts between the wall skin-friction and streamwise velocity fluctuations. The convection velocity of the near-wall streamwise velocity obtained from the space-time correlation is in good agreement with that from the direct numerical simulation database.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제4권1호
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pp.33-46
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2011
Concave surface boundary-layer flows are subjected to centrifugal instability which results in the formation of streamwise counter-rotating vortices. Such boundary layer flows have been experimentally investigated on concave surfaces of 1 m and 2 m radius of curvature. In the experiments, to obtain uniform vortex wavelengths, thin perturbation wires placed upstream and perpendicular to the concave surface leading edge, were used to pre-set the wavelengths. Velocity contours were obtained from hot-wire anemometer velocity measurements. The most amplified vortex wavelengths can be pre-set by the spanwise spacing of the thin wires and the free-stream velocity. The velocity contours on the cross-sectional planes at several streamwise locations show the growth and breakdown of the vortices. Three different vortex growth regions can be identified. The occurrence of a secondary instability mode is also shown as mushroom-like structures as a consequence of the non-linear growth of the streamwise vortices. Wall shear stress measurements on concave surface of 1 m radius of curvature reveal that the spanwise-averaged wall shear stress increases well beyond the flat plate boundary layer values. By pre-setting much larger or much smaller vortex wavelength than the most amplified one, the splitting or merging of the streamwise vortices will respectively occur.
An experimental study was carried out to investigate the effect of local ultrasonic forcing on a turbulent boundary layer. Stereoscopic particle image velocimetry (SPIV) was used to probe the characteristics of the flow. A ultrasonic forcing system was made by adhering six ultrasonic transducers to the local flat plate. Cavitation which generates uncountable minute air-bubbles having fast wall normal velocity occurs when ultrasonic was projected into water. The SPIV results showed that the wall normal mean velocity is increased in a boundary layer dramatically and the streamwise mean velocity is reduced. The skin friction coefficient ($C_{f}$) decreases $60\%$ and gradually recovers at the downstream. The ultrasonic forcing reduces wall-region streamwise turbulent intensity, however, streamwise turbulent intensity is increased away from the wall. Wall-normal turbulent intensity is almost the same near the wall but it increases away from the wall, In tile vicinity of the wall, Reynold shear stress, sweep strength and production of turbulent kinetic energy were decreased. This suggests that the streamwise vortical structures are lifted by ultrasonic forcing and then skin friction is reduced.
The mear field structure of round turbulent jets with initially asymmetric velocity distributions is investigated experimentally. Experiments are carried out using a constant temperature hot-wire anemometry system to measure streamwise velocity in the jets. The measurements are undertaken across the jet at various streamwise stations in a range starting from the jet exit plane and up to a downstream location of twelve diameters. The experimental results include the distributions of mean and instantaneous velocities, vorticity field, turbulence intensity, and the Reynolds shear stresses. The asymmetry of the jet exit plane was obtained by using circular cross-section pipes with a bend upstream of the exit. There pipes used here include a straight pipe, and 90 and 160 degree-bend pipes. Therefore, at the upstream of the upstream of the pipe exit, secondary flow through the bend mean streamwise velocity distribution could be controlled by changing the curvature of pipes. The jets into the atmosphere have two levels of initial velocity skewness in addition to an axisymmetric jet from a straight pipe. In case of the curved pipe, a six diameter-long straight pipe section follows the bend upstream of the exit. The Reynolds number based on the exit bulk velocity is 13,400. The results indicate that the near field structure is considerably modified by the skewness of an initial mean velocity distribution. As the skewness increases, the decay rate of mean velocity at the centerline also increases.
In the present study, we investigate the flow characteristics of a quadrotor UAV in a hovering mode by measuring multiple two-dimensional velocity fields in the wake. The experiment is conducted at Re = 24,000 in a chamber large enough to neglect the ground effect, where Re is the Reynolds number based on the rotor chord length and the rotor tip speed. The rotational speed of the rotor is determined by an optical tachometer so that the lift force can be balanced with the weight of the UAV. The velocity field measured on the center plane of the rotor shows that the vortices are shedding from the tip of the rotor, inducing large fluctuations in the streamwise velocity along the wake shear layer. The strength of the rotor-tip vortex shedding is asymmetric with respect to the rotor axis due to the interaction between the rotor and the wake centerline of each rotor is inclined to the center of the UAV due to the pressure difference caused by the induced velocity. The wake from each rotor moves closer to each other while traveling in the streamwise direction, and then is merged together inducing large fluctuations in the transverse velocity. Due to the wake merging, on the center plane of the UAV, the velocity increases in the streamwise direction showing two-peak structure in the streamwise velocity contours.
The near field structure of round turbulent jets with initially asymmetric velocity distribution is investigated experimentally. Experiments were carried out using a constant temperature hot-wire anemometry system to measure streamwise velocity in the jets. The measurements were undertaken across the jet at various streamwise stations in a range starting from the jet exit plane and up to a downstream location of twelve diameters. The experimental results include the distribution of mean and instantaneous velocities, vorticity field, turbulence intensity, and the Reynolds shear stress. The asymmetry of the jet exit plane was obtained by using circular cross-section pipes with a bend at the upstream of the exit. Three pipes were used for this study: A straight pipe, 90 and 160 degree-bended pipes. Therefore, at the upstream of the pipe exit, the secondary flow through the bend and the mean streamwise velocity distribution could be controlled by changing the curvature of pipes.
The mixing enhancement is one of the most important problems for the development of scramjet engines. The influence of the streamwise vortices produced by a ramp in a unheated supersonic flow on the mixing of twin jets injected from its base was experimentally investigated. Nominal Mach number of the main airstream and of the twin jets at the nozzle exits were 2.35 and 2.0, respectively. Three dimensional velocity distributions near the ramp with and without injection were measured by Particle Image Velocimetry (PIV). A pair of counter rotating streamwise vortices could be seen behind the injector without injection. On the other hand, two pairs of streamwise vortices could be seen with injection. The outer one had the same direction as the vortex pair produced by the ramp, but they were stronger than those produced by the ramp. The inner ones had the opposite directions to the outer ones. It is considered that these vortices enhance the mixing near the injector.
Detailed Measurements were made to investigate the turbulence characteristics of a leakage vortex in an axial-flow fan using three-dimensional LDV. The turbulence in the leakage vortex has highly anisotropic characteristics with the radial value being the maximum. The turbulence intensity components in the vortex in the streamwise and tangential directions increase up to a certain downstrean position and then decrease. This increase is mainly due to the rapid decrease of the streamwise velocity of the vortex and partly due to the radial gradient of the streamwise velocity caused by a velocity deficit. As the vortex decays moving downstream, turbulence intensity also decrease gradually.
In this study, the modification of turbulent boundary layer flow by local wall vibration is investigated. The wall is locally vibrated using a wall deformation actuator, which moves up and down at the frequencies of 100Hz and 50Hz. Simultaneous measurements of the streamwise velocities in the spanwise direction are performed at several wall-normal and streamwise locations using an in-house multi-channel hot wire anemometer and a spanwise hot-wire-probe rake. The mean velocity is reduced in most places due to the wall vibration and its reduced amount becomes small as flow goes downstream. Interestingly, the mean velocity is found to increase very near the wall and near the actuator. This is due to the motion induced by the streamwise vortices which are generated by the downward motion of the actuator. In case of the streamwise velocity fluctuations, their magnitude increases as compared to the unperturbed turbulent boundary layer, and the increased amount becomes small as the flow moves downstream. The modified flow field at the forcing frequency of 50Hz is not much different from that of 100Hz, except the reduced amount of modification.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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