An experimental investigation of the flow around a vertical fence was carried out using a PIV velocity field measurement technique. The vertical fence was embedded in a turbulent boundary layer. The instantaneous velocity fields measured at cross-sectional planes reveal complex longitudinal vortices that vary in size and strength, developing from the upstream location. In the instantaneous vorticity and velocity field data, the shear flow separated from the fence top is highly turbulent and shows unsteady flow characteristics. The topography of the ensemble averaged velocity fields, especially the separation bubble formed behind the fence, shows that the spatial distributions of streamwise velocity (U) and vertical (V) are symmetric, the spanwise velocity (W) is skew-symmetric with respect to the central xy-plane(z=0).
The vortical structures in a turbulent boundary layer (TBL) developed over a flat plate have been investigated experimentally. The flow conditions tested in this study were Re$_{\theta}$ = 3700, Re$_{\delta}$ = 11${\times}$105 and the shape factor H = 1.3. Instantaneous velocity fields in the streamwise-wall-normal planes were measured by using a dynamic PIV system. A trip-wire and sandpapers were placed behind the leading edge to promote the turbulent transition. 1000 velocity fields were obtained consecutively with a time interval of 1 millisecond. Streamwise u-velocity components were temporally averaged in the measuring plane. In addition, 2000 velocity fields were obtained randomly and ensemble-averaged to get the fully-developed turbulent characteristics. Profiles of the normalized u-component, turbulent intensities and Reynolds shear stress were evaluated. The structures of spanwise vortices were extracted from the instantaneous velocity fields by determining the swirling strength, ${\lambda}_{ci}$. The wall-normalized locations of vortices were temporally averaged in the measuring plane with respect to their rotational direction. The correlations between the temporally averaged u and the temporally averaged $y^+$ of vortices were evaluated. For the case of positive vortices, the correlation is not significant. However, the negative vortices show a strong negative correlation. The y-location of negative vortices tends to increase, as the averaged u decreases and vice versa. These findings indicate that the number of negative vortices in the outer layer increases during the outward bursting events.
The present study aims to generate turbulent inflow data to more accurately represent the turbulent flow around a square cylinder when the inflow turbulence level is significant. The modified random flow generation (RFG) technique in conjunction with a previously developed LES code is successfully adopted into a finite element based fluid flow solver to generate the required inflow turbulence boundary conditions for the three-dimensional (3-D) LES computations of transitional turbulent flow around a square cylinder at Reynolds number of 22,000. The near wall region is modelled without using wall approximate conditions and a wall damping coefficient is introduced into the calculation of sub-grid length scale in the boundary layer of the cylinder wall. The numerical results obtained from simulations are compared with each other and with the experimental data for different inflow turbulence boundary conditions in order to discuss the issues such as the synthetic inflow turbulence effects on the 3-D transitional flow behaviour in the near wake and the free shear layer, the basic mechanism by which stream turbulence interacts with the mean flow over the cylinder body and the prediction of integral flow parameters. The comparison among the LES results with and without inflow turbulence and the experimental data emphasizes that the turbulent inflow data generated by the present RFG technique for the LES computation can be a viable approach in accurately predicting the effects of inflow turbulence on the near wake turbulent flow characteristics around a bluff body.
Zhang, Han;Li, Yabing;Xiao, Jianjun;Jordan, Thomas
Nuclear Engineering and Technology
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v.49
no.6
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pp.1310-1317
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2017
GASFLOW-MPI is a widely used scalable computational fluid dynamics numerical tool to simulate the fluid turbulence behavior, combustion dynamics, and other related thermal-hydraulic phenomena in nuclear power plant containment. An efficient scalable linear solver for the large-scale pressure equation is one of the key issues to ensure the computational efficiency of GASFLOW-MPI. Several advanced Krylov subspace methods and scalable preconditioning methods are compared and analyzed to improve the computational performance. With the help of the powerful computational capability, the large eddy simulation turbulent model is used to resolve more detailed turbulent behaviors. A backward-facing step flow is performed to study the free shear layer, the recirculation region, and the boundary layer, which is widespread in many scientific and engineering applications. Numerical results are compared with the experimental data in the literature and the direct numerical simulation results by GASFLOW-MPI. Both time-averaged velocity profile and turbulent intensity are well consistent with the experimental data and direct numerical simulation result. Furthermore, the frequency spectrum is presented and a -5/3 energy decay is observed for a wide range of frequencies, satisfying the turbulent energy spectrum theory. Parallel scaling tests are also implemented on the KIT/IKET cluster and a linear scaling is realized for GASFLOW-MPI.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.3
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pp.1028-1039
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1996
This study was focused on the examination of the flame structure and the combustion characteristics of diffusion flame which was formed the turbulent shear flow of a double coaxial air jet system. The shear flow was formed by the difference velocity of surrounding air jet(U$\_$s/) and center air jet (U$\_$c/). So experimental condition was divided S-type flame (.lambda. > 1) and C-type flame (.lambda. < 1) by velocity ratio .lambda. (=U$\_$s//U$\_$c/). For examination of the flame structure and the combustion characteristics in diffusion flame, coherent structure was observed in flame by schlieren photograph method. We measured fluctuating temperature and ion current simultaneously and accomplished the statistical analysis of its. According to schlieren photograph, the flame was stabilized in the rim of the direction of lower velocity air jet, coherent eddy was produced and developed by higher velocity air jet. The statistical data of fluctuating temperature and ion current was indicated that reaction was dominated by higher velocity air jet. The mixing state of burnt gas and non-burnt gas was distributed the wide area at Z = 100 mm of C-type flame.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.19
no.1
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pp.9-17
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2015
The basic flow configuration is composed of a plane, double shear layer where relatively thin mid gas layer is sandwiched between air and fuel stream. The present study describes numerical investigations concerning the combustion enhancement according to a variation of mid layer thickness. In this case, the effect of heat release in turbulent mixing layers is important. For the numerical solution, a fully conservative unsteady $2^{nd}$ order time accurate sub-iteration method and $2^{nd}$ order TVD scheme are used with the finite volume method including k-${\omega}$ SST model. The results consists of three categories; single shear layer consists of fuel and air, inert gas sandwiched between fuel and air, cold fuel gas sandwiched between fuel and air. The numerical calculations has been carried out in case of 1, 2, 4 mm of mid layer thickness. The height of total gas stream is 4 cm. The combustion region is broadened in case of inert gas layer of 2, 4 mm thickness and cold fuel layer of 4 mm thickness compared with single shear layer.
The turbulent flow around a sphere was investigated in a streamwise meridian plane using two experimental techniques: smoke-wire flow visualization in wind tunnel at Re=5,300 and PIV measurements in a circulating water channel at Re=7,400. The smoke-wire visualization shows flow separation points near an azimuthal angle of $90^{\circ}$, recirculating flow, transition from laminar to turbulent shear layer, evolving vortex roll-up and fully turbulent eddies in the sphere wake. In addition, the mean flow pattern extracted by particle tracing method in water tunnel at Re= 14,500 reveals two distinct comparable toroidal(not closed) vortices in the recirculation region. The mean velocity field measured using a PIV technique demonstrates the detailed wake configuration of close symmetric recirculation and near-wake configuration with two toroidal vortices, reversed velocity zone and vorticity contours.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.9
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pp.1335-1348
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1998
Flow characteristics in transitional boundary layers on a flat plate were experimentally investigated under three different freestream conditions i. e. uniform flow with 0.1 % and 3.7% freestream turbulent intensity and cylinder-wake with 3.7% maximum turbulent intensity. Instantaneous streamwise velocities in laminar, transitional and turbulent boundary layers were measured by I-type hot-wire probe. For estimation of wall shear stresses on the flat plate, measured mean velocities near the wall were applied to the principle of Computational Preston Tube Method (CPM). Distributions of skin friction coefficients were reasonably predicted in all developed boundary layers. Intermittency profiles, which were estimated using Conditional Sampling Technique in transitional boundary layers, were also consistent with previously published data. It was predicted that the incoming turbulent intensity had more influence on transition onset point and transition process than freestream turbulent intensity existed just over the transition region. It was also confirmed that non-turbulent and turbulent profiles in transitional boundary layers could not be simply treated as Blasius and fully turbulent profiles.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.8
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pp.1068-1076
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2001
The relations between wall pressure fluctuations and near-wall streamwise vortices are investigated in a spatially-developing turbulent boundary layer using the direct numerical simulation. The power spectra and two-point correlations of wall pressure fluctuations are presented to validate the present simulation. Emphasis is placed on the identification of the correlation between wall pressure fluctuations and streamwise vorticities. It is shown that wall pressure fluctuations are directly linked with the upstream streamwise vortices in the buffer region of the turbulent boundary layer. The maximum correlation occurs with the spanwise displacement from the location of wall pressure fluctuations. The conditionally-averaged vorticity field and the quadrant analysis of Reynolds shear stress indicate that the sweep events due to streamwise vortices generate positive wall pressure fluctuations, while negative wall pressure fluctuations are created beneath the ejection events and vortex cores. The instantaneous flow field and time records reveal that the rise of high wall pressure fluctuations coincide with the passages of the upstream streamwise vortices.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.236-245
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2021
In this study, direct numerical and large eddy simulations of transitional flows around studs were conducted to investigate the effectiveness of turbulence stimulators at very low speeds for the minimum propulsion power condition of four knots. For simplicity, the studs were assumed to be installed on a flat plate, while the wake was observed up to 0.23 m downstream behind the second stud. For applicability to a model ship, we also studied the flow characteristics behind the first and second studs installed on a curved plate, which was designed to describe the geometry of a bulbous bow. A laminar-to-turbulent transition was observed in the wake at ReD ≥ 921 (U∞≥0.290 m/s), and the wall shear stress at ReD = 1162 (U∞ = 0.366 m/s) in the second wake was similar to that of the fully developed turbulent boundary layer after a laminar-to-turbulent transition in the first wake. At ReD = 581 (U∞ = 0.183 m/s), no turbulence was stimulated in the wake behind the first and second studs on the flat plate, while a cluster of vortical structures was observed in the first wake over the curved plate. However, a cluster of vortical structures was revealed to be generated by the reattachment process of the separated shear layer, which was disturbed by the first stud rather than directly initiated by the first stud. It was quite different from a typical process of transition, which was observed at relatively high ReD that the spanwise scope of the turbulent vortical structures expanded gradually as it went downstream.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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