A numerical investigation is made of three-dimensional buoyant convection of a Boussinesq-fluid in a vertical cylinder. The top and bottom endwalls are thermally insulated. Flow is driven by the substantial azimuthal variations in thermal boundary conditions. Comprehensive numerical solutions to the Navier-Stokes equations are obtained. The representative Rayleigh number is large, thus, the overall flow pattern is of boundary layer-type. Three-dimensional (low characteristics are described. Specially, the global flow and the heat transfer features are delineated when the severity of azimuthal variation of sidewall temperature n, is intensified. Temperature and velocity fields on the meridional planes and the planes of constant height are presented. The global flow weakens as n becomes large. The pattern of the local Nusselt number on the surface of cylinder is similar regardless of n. The convective gain in heat transfer activities is reduced as n increases.
The present study deals with a numerical investigation of heat and mass transfer in a Sweeping Gas Membrane Distillation (SGMD) used for desalination. The governing equations expressing the conservation of mass, momentum, energy and species with coupled boundary conditions were solved numerically. The slip boundary condition applied on the feed saline solution-hydrophobic membrane interface is taken into consideration showing its effects on profiles and process parameters.The numerical model was validated with available experimental data and was found to be in good agreement particularly when the slip condition is considered. The results of the simulations highlighted the effect of slip boundary condition on the velocity and temperature distributions as well as the process effectiveness. They showed in particular that as the slip length increases, the permeate flux of fresh water and process thermal efficiency rise.
Because a change in the natural frequencies of a structure indicates structural health problems, monitoring the natural frequencies crucial. Long-term measurement for the Uldolmok tidal current power plant structure has shown that its natural frequencies fluctuate with a constant cycle twice a day. In this study, lab-scale tests to investigate the causes of these natural frequency fluctuations were carried out in a circulating water channel. Three independent variables in the tests that could affect the fluctuation of the natural frequencies were the water level, current velocity, and boundary condition between the specimen and the bottom of the circulating water channel. The experimental results were verified with numerical ones using ABAQUS. It was found that the fluctuation of the natural frequencies was governed by a decrease in stiffness due to the boundary condition much more than the effect of added mass. In addition, it was found that the natural frequency would decrease with an increase in the tidal current velocity because of its nonlinearity when the boundary condition was severely deteriorated due to damage.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제21권2호
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pp.89-107
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2017
In this paper, we have proposed a modified Marker-And-Cell (MAC) method to investigate the problem of an unsteady 2-D incompressible flow with heat and mass transfer at low, moderate, and high Reynolds numbers with no-slip and slip boundary conditions. We have used this method to solve the governing equations along with the boundary conditions and thereby to compute the flow variables, viz. u-velocity, v-velocity, P, T, and C. We have used the staggered grid approach of this method to discretize the governing equations of the problem. A modified MAC algorithm was proposed and used to compute the numerical solutions of the flow variables for Reynolds numbers Re = 10, 500, and 50000 in consonance with low, moderate, and high Reynolds numbers. We have also used appropriate Prandtl (Pr) and Schmidt (Sc) numbers in consistence with relevancy of the physical problem considered. We have executed this modified MAC algorithm with the aid of a computer program developed and run in C compiler. We have also computed numerical solutions of local Nusselt (Nu) and Sherwood (Sh) numbers along the horizontal line through the geometric center at low, moderate, and high Reynolds numbers for fixed Pr = 6.62 and Sc = 340 for two grid systems at time t = 0.0001s. Our numerical solutions for u and v velocities along the vertical and horizontal line through the geometric center of the square cavity for Re = 100 has been compared with benchmark solutions available in the literature and it has been found that they are in good agreement. The present numerical results indicate that, as we move along the horizontal line through the geometric center of the domain, we observed that, the heat and mass transfer decreases up to the geometric center. It, then, increases symmetrically.
Based on the fully nonlinear velocity potential theory, the liquid sloshing in a three dimensional tank under random excitation is studied. The governing Laplace equation with fully nonlinear boundary conditions on the moving free surface is solved using the indirect desingularized boundary integral equation method (DBIEM). The fourth-order predictor-corrector Adams-Bashforth-Moulton scheme (ABM4) and mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method are used for the time-stepping integration of the free surface boundary conditions. A smoothing scheme, B-spline curve, is applied to both the longitudinal and transverse directions of the tank to eliminate the possible saw-tooth instabilities. When the tank is undergoing one dimensional regular motion of small amplitude, the calculated results are found to be in very good agreement with linear analytical solution. In the simulation, the normal standing waves, travelling waves and bores are observed. The extensive calculation has been made for the tank undergoing specified random oscillation. The nonlinear effect of random sloshing wave is studied and the effect of peak frequency used for the generation of random oscillation is investigated. It is found that, even as the peak value of spectrum for oscillation becomes smaller, the maximum wave elevation on the side wall becomes bigger when the peak frequency is closer to the natural frequency.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제5권4호
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pp.546-558
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2013
The research performed in this paper was carried out to investigate the numerical analysis of the sheet cavitation on marine propeller. The method is boundary element method (BEM). Using the Green's theorem, the velocity potential is expressed as an integral equation on the surface of the propeller by hyperboloid-shaped elements. Employing the boundary conditions, the potential is determined via solving the resulting system of equations. For the case study, a DTMB4119 propeller is analyzed with and without cavitating conditions. The pressure distribution and hydrodynamic performance curves of the propellers as well as cavity thickness obtained by numerical method are calculated and compared by the experimental results. Specifically in this article cavitation changes are investigate in both the radial and chord direction. Thus, cross flow variation has been studied in the formation and growth of sheet cavitation. According to the data obtained it can be seen that there is a better agreement and less error between the numerical results gained from the present method and Fluent results than Hong Sun method. This confirms the accurate estimation of the detachment point and the cavity change in radial direction.
An analytical method for nautral frequencies of a partially liquid- filled circular cylindrical shell with various boundary conditions is developed by means of the Stokes's transformation and Fourier series expansion on the basis of Sanders' shell equation. The liquid-shell coupled system is divided into two regions for convenient formulation. One is the empty shell region in which the Sanders' shell equations are formulated without the lipuid effect, the other is wetted shell region in which the shell equations are formulated with consideration of the liquid dynamic effect. The shell equations for each regions are combined by the geometry and the force continuities at the junction of the two regions. For the vibration relevant to the liquid motion, the velocity potential of liquid is assumed as a sum of linear combination of suitable harmonic functions in axial direction. The unknown parameters are selected to satisfy the boundary condition along the wetted shell surface. The natural frequencies of the liquid filled cylindraical shells with the clamped- free and the clamped-clamped boundary conditions examined in the previous works, are obtained by this analytical method. The results are compared with the previous works, and excllent agreement is found for the natural frequencies of the shells.
Jo, Jong Chull;Jeong, Jae Jun;Yun, Byong Jo;Moody, Frederick J.
Nuclear Engineering and Technology
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제50권7호
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pp.1173-1183
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2018
Transient fluid velocity and pressure fields in a pressurized water reactor (PWR) steam generator (SG) secondary side during the blowdown period of a feedwater line break (FWLB) accident were numerically simulated employing the saturated water flashing model. This model is based on the assumption that compressed water in the SG is saturated at the beginning and decompresses into the two-phase region where saturated vapor forms, creating a mixture of steam bubbles in water by bulk boiling. The numerical calculations were performed for two cases of which the outflow boundary conditions are different from each other; one is specified as the direct blowdown discharge to the atmosphere and the other is specified as the blowdown discharge to an extended calculation domain with atmospheric pressure on its boundary. The present simulation results obtained using the two different outflow boundary conditions were discussed through a comparison with the predictions using a simple non-flashing model neglecting the effects of phase change. In addition, the applicability of each of the non-flashing water discharge and saturated water flashing models for the confirmatory assessments of new SG designs was examined.
This paper studies the dynamic behavior of laminated composite circular cylindrical shells interacting with a fluid. The mathematical formulation of the dynamic problem for an elastic body is developed based on the variational principle of virtual displacements and the relations of linear elasticity theory. The behavior of an ideal compressible fluid is described by the potential theory, the equations of which together with boundary conditions are transformed to a weak form. The hydrodynamic pressure exerted by the fluid on the internal surface of the shell is calculated according to the linearized Bernoulli equation. The numerical implementation of the mathematical formulation has been done using the semi-analytical finite element method. The influence of the ply angle and lay-up configurations of laminated composites on the natural vibration frequencies and the hydroelastic stability boundary have been analyzed for shells with different geometrical dimensions and under different kinematic boundary conditions set at their edges. It has been found that the optimal value of the ply angle depends on the level of filling of the shell with a fluid. The obtained results support the view that by choosing the optimal configuration of the layered composite material it is possible to change upwards or downwards the frequency and mode shape, as well as the critical velocity for stability loss over a wide range.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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