The along-wind response of a surface-mounted elastic fence under the action of wind was investigated numerically. In the computations, two sets of equations, one for the simulation of the unsteady turbulent flow and the other for the calculation of the dynamic motion of the fence, were solved alternatively. The resulting time-series tip response of the fence as well as the flow fields were analyzed to examine the dynamic behaviors of the two. Results show that the flow is unsteady and is dominated by two frequencies: one relates to the shear layer vortices and the other one is subject to vortex shedding. The resulting unsteady wind load causes the fence to vibrate. The tip deflection of the fence is periodic and is symmetric to an equilibrium position, corresponding to the average load. Although the along-wind aerodynamic effect is not significant, the fluctuating quantities of the tip deflection, velocity and acceleration are enhanced as the fundamental frequency of the fence is near the vortex or shedding frequency of the flow due to the occurrence of resonance. In addition, when the fence is relatively soft, higher mode response can be excited, leading to significant increases of the variations of the tip velocity and acceleration.
Hard disk drives (HDD) in computer are used extensively as data storage capacity. The trend in the computer industry to produce smaller disk drives rotating at higher speeds requires an improved understanding of fluid motion in the space between disks. Laser sheet and digital camera was used for 2-dimensional visualization of the unsteady flow between the center pair of two co-rotating disks in air with a cylindrical enclosure (or shroud). Geometric parameters are gap height (H) between disks, and gap distance (G) between disk tip and shroud. The lobe-structured boundary between inner region and outer region was detected by inserted particles, and the number of dominant vortices was determined clearly It is found from flow visualization that the number of vortex cells can be correlated with Reynolds number based on H which is defined as $Re_H={\Omega}RH/v$ ranging from $3.18\times10^3\;to\;1.43\times10^4$, and decreases as the disk speed increases. The lobe pattern by vortex cells is changed to a circular pattern for the wide gap than narrow one.
In a hope to better understand the flow and convective heat transfer characteristics inside a ball bearing, air flow between the rolling elements and raceways at high speed bearing rotation is numerically investigated using a simplified inner geometry of bearing and a CFD technique. Flow simulation results reveal the pressure distribution of airflow and the shear stress distribution on the ball surface, of which nonuniformity becomes significant with the increasing rotational speed. Also, the local point of maximum shear stress coincides with the stagnation flow area on the surface of rolling elements. A complex pattern of three-dimensional vortex structures is found in the air flow due to the relative motion of bearing elements and three different types of vortex pairs exist around the rotating and orbiting rolling elements.
Although the motion of the three-phase contact line on a solid substrate has been extensively studied thus far, the understanding of the dynamics of the contact line of liquid/liquid/gas phases is far from complete. Here we deposit a drop of isopropyl alcohol (IPA) on water and HFE-7100 whose free surfaces are exposed to air to observe the flow field around the contact line. By combining the shadowgraph and high-speed imaging techniques, we find that vortices are spontaneously generated at the contact line, which grow in size with time. The flow is attributed to the Marangoni stress that pulls a liquid of lower-surface tension toward a liquid surface having a higher surface tension. However, it is not still clear why the entrained lower-surface-tension liquid should whirl rapidly beneath the contact line. We also visualize the flow by the particle image velocimetry (PIV) to find out that the rotational velocity reaches the order of 1 mm/s near the free surface.
In this paper, the recirculation flow motion and mixing characteristics driven by air bubble flow in a rectangular water tank is studied. The Time-resolved PIV technique is adopted for the quantitative visualization and analysis. 532 nm Diode CW laser is used for illumination and orange fluorescent particle images are acquired by a PCO 10bit high-speed camera. To obtain clean particle images, 545 nm long pass optical filter and an image intensifier are employed and the flow rates of compressed air is changed from 2 l/min to 4 l/min at 0.5 MPa. The recirculation and mixing flow field is further investigated by the POD analysis technique. It is observed that the large scale counterclockwise rotation and main vortex is generated in the upper half depth from the free surface and one quarter width from the sidewall. When the flow rates are increased, the main vortex core is moved to the side and bottom wall direction.
Hard disk drives (HDD) in computer are used extensively as data storage capacity. The trend in the computer industry to produce smaller disk drives rotating at higher speeds requires an improved understanding of fluid motion in the space between disks. Laser sheet and digital camera was used for 2-dimensional visualization of the unsteady flow between co-rotating disks in air with a cylindrical enclosure (or shroud). Geometric parameters are gap height (H) between disks, and gap distance (G) between disk tip and shroud. The lobe-structured boundary between inner region and outer region was detected by inserted particles, and the number of dominant vortices was determined clearly It is found from flow visualization that the number of vortex cells can be correlated with Reynolds number based on H which is defined as $Re_H={\Omega}RH/v$ ranging from $7.96{\times}10^2$ to $1.43{\times}10^4$, and decreases as the disk speed increases. The lobe pattern by vortex cells is changed to a circular pattern for the wide gap than narrow one.
High spatial and temporal surface pressure measurements were carried out in the state-of-the-art tornado simulator, the Wind Engineering, Energy and Environment (WindEEE) Dome, to explore the characteristics of stationary and translating tornado-like vortices (TLV) for a wide range of swirl ratios (S=0.21 to 1.03). The translational speed of the TLV and the surface roughness were varied to examine their effects on tornado ground pressures, wandering, and vortex structure. It was found that wandering is more pronounced at low swirl ratios and has a substantial effect on the peak pressure magnitude for stationary TLV (error percentage ≤ 35%). A new method for removing wandering was proposed which is applicable for a wide range of swirl ratios. For translating TLV, the near-surface part lagged behind the top of the vortex, resulting in a tilt of the tornado vertical axis at higher translating speeds. Also, a veering motion of the tornado base towards the left of the direction of the translation was observed. Wandering was less pronounced for higher translation speeds. Increasing the surface roughness caused an analogous effect as lowering the swirl ratio.
The flow around a high-speed train with three underbody structures in the bogie area is numerically investigated using the improved delayed detached eddy simulation method. The vortex structure, pressure distribution, flow field structure, and unsteady velocity of the wake are analyzed by vortex identification criteria Q, frequency spectral analysis, empirical mode decomposition (EMD), and Hilbert spectral analysis. The results show that the structures of the bogie and its installation cabin reduce the momentum of fluid near the tail car, thus it is easy to induce flow separation and make the fluid no longer adhere to the side surface of the train, then forming vortices. Under the action of the vortices on the side of the tail car, the wake vortices have a trend of spanwise motion. But the deflector structure can prevent the separation on the side of the tail car. Besides, the bogie fairings do not affect the formation process and mechanism of the wake vortices, but the fairings prevent the low-speed fluid in the bogie installation cabin from flowing to the side of the train and reduce the number of the vortices in the wake region.
This study aims at validating simulations of the forced and freely vibrating cylinders at Reynolds number of approximately 500 in order to identify the capability of the CFD code, and to establish the analysis process of the vortex-induced vibration (VIV). The direct numerical and large eddy simulations were employed to resolve the various length scales of the vortices, and the morphing technique was used to consider a motion of the circular cylinder. For the forced vibration case, both in- and anti-phase VIV processes were observed regarding the frequency ratio. Namely, when the frequency ratio approaches to unity, the synchronization/lock-in process occurs, leading to substantial increases in drag and lift coefficients. This is strongly linked with the switch in timing of the vortex formation, and this physical tendency is consistent with that of Blackburn and Henderson (J. Fluid Mech., 1999, 385, 255-286) as well as force coefficients. For the free oscillation case, the mass and damping ratio of 50.8 and 0.0024 were considered based on the study of Blackburn et al. (J. Fluid Struct., 2000, 15, 481-488) to allow the direct comparison of simulation results. The simulation results for a peak amplitude of the cylinder and a shedding mode are reasonably comparable to that of Blackburn et al. (2000). Consequently, based on aforementioned results, it can be concluded that numerical methods were successfully validated and the calculation procedure was well established for VIV analysis with reasonable results.
수치 해석은 유동 경로를 공식화할 필요가 없다는 장점으로 경로 설계와 같은 시뮬레이션 분석에 유용하다. 그러나 유체의 완전한 물리적 매개 변수와 경계 조건을 알고 있어야 한다. 그중 하나라도 알 수 없는 경우, 계산이 불가능해 지거나, 수렴되더라도 결과의 신뢰성이 낮아진다. 따라서 유동 정보를 보다 정확하게 획득하는 방법이 요구된다. 본 논문은 수로 내의 염료의 이동에 수반되는 영상 명도의 변화를 기반으로 영상 정보 및 속도장의 구속식을 이용하여 염료의 속도장을 추정하는 기법을 제시한다. 구속식은 속도장 추정 시에 발생하는 오류를 최소화하기 위해서 안정화 항을 추가했다. 본 논문은 카르만 와류의 생성 이미지와 실제 영상을 대상으로 제안 수법의 효율성을 보인다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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