Visualization and numerical simulation of three dimensional flow over a vertical pillar

• Autorzy: Kudela Henryk , Strzelecka Katarzyna , Błoński Dominik

Warianty tytułu

PL

Badania wizualizacyjne i numeryczne trójwymiarowego opływu filaru pionowego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Flow past cylinder is a primary example used in fluid mechanics. Even despite the multitude of studies of this case the mechanism of boundary layer eruption behind a pillar is far from complete. Experimental and numerical investigation related to the flow past a vertical pillar in channel with free surface was presented in the paper. Hydrodynamic tunnel and investigation procedure was described. Qualitative research was performed with the use of visualization dye injection for four values of the Reynolds numbers. Different boundary layer eruption patterns behind the pillar were observed. For deeper analysis numerical simulation for the same Reynolds numbers using OpenFOAM software was performed. An attempt to explain flowpath images obtained in experimental research was made. Three-dimensional nature of vortices formed in the wake of pillar was shown with use of streamlines. It was pointed out that complication of the flow behind the pillar results from no-slip critical points on the bottom wall behind the obstacle.

PL

Opływ cylindra jest tematem szeroko omawianym w mechanice płynów. Pomimo wielu przeprowadzonych badań dla tego przypadku, mechanizm erupcji warstwy przyściennej za modelem filaru (cylindrem ustawionym pionowo w przepływie) nie został w pełni wyjaśniony. W artykule przedstawiono badania doświadczalne i numeryczne związane z opływem pionowego filaru w tunelu ze swobodnym zwierciadłem cieczy. Opisano tunel hydrodynamiczny i procedurę badawczą. Badania wizualizacyjne metodą barwnikową przeprowadzono dla czterech wartości liczb Reynoldsa. Zaobserwowano różne schematy erupcji warstwy przyściennej za filarem. W celu dokonania głębszej analizy, przeprowadzono symulację numeryczną dla tych samych liczb Reynoldsa przy użyciu oprogramowania OpenFOAM. Podjęto próbę wyjaśnienia obrazów uzyskanych w badaniach eksperymentalnych. Trójwymiarowy charakter wirów powstałych w następstwie opływu filara przedstawiono za pomocą linii prądu. Zwrócono uwagę, że struktura przepływu za filarem jest trójwymiarowa i złożona, co wynika z wystąpienia punktów krytycznych na ściance (dnie tunelu) za przeszkodą.

Słowa kluczowe

EN

flow past cylinder; numerical simulation; experimental fluid mechanics; critical points

PL

opływ cylindra; symulacja numeryczna; eksperymentalna mechanika płynów; punkty krytyczne

• Wydawca: KAPRINT
• Czasopismo: Rynek Energii
• Rocznik: 2021
• Tom: Nr 1
• Strony: 81--89
• Opis fizyczny: Bibliogr. 22 poz., fig., tab.

Twórcy

autor

Kudela Henryk

• Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny

autor

Strzelecka Katarzyna

• Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny

autor

Błoński Dominik

• Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny

Bibliografia

• [1] Akilli H.; Rockwell D., Vortex formation from a cylinder in shallow water, Phys. Fluids, 2000,14, pp. 2957–2967.
• [2] Chen D.; Jirka G.H., Absolute and convective instabilities of plane turbulent wakes in a shallow water layer, J. Fluid Mech., 1997, 338, pp. 157–172.
• [3] Chen D.; Jirka G.H., Experimental study of plane turbulent wakes in a shallow water layer, Fluid Dyn. Res., 1995, 16, pp. 11-41.
• [4] Chong M.S.; Perry A.E., Synthesis of two- and three-dimensional separation bubbles, 9th Australian Fluid Mechanics Conference, Auckland, Australia, 1986 Dec 8-12, pp. 35–38.
• [5] Chong M.S.; Perry M.S.; Cantwell B.J., A general classification of three-dimensional flow fields, Phys. of Fluids A, 1990, 2(5), pp. 765–777.
• [6] Fu H., Rockwell D., 2005, Shallow flow past a cylinder: control of the near wake, J. Fluid Mech., 2005, 539, pp. 1–24.
• [7] Hirsch M.; Smale S.; Devaney R.L., Differential equations, dynamical systems: an introduction to chaos, 2nd ed., Elsevier Academic Pres,San Diego, USA, 2004, pp. 203–207.
• [8] Junhong L.; Junliang T., CFD-DEM Two-Way Coupled Numerical Simulation of Bridge Local Scour Behavior under Clear-Water Conditions, Transportation Research Record, 2018, 2672 39, pp. 107–117.
• [9] Kahraman A.; Sahin B.; Rockwell D., Control of vortex formation from a vertical cylinder in shallow water: Effect of localized roughness elements, Exp. Fluids, 2002, 33, pp. 54–65.
• [10] Keshavarzi A.; Ball J., Enhancing PIV image and fractal descriptor for velocity and shear stresses propagation around a circular pier, Geoscience frontiers, 2017, 8, pp. 869–883.
• [11] Kudela H.; Malecha Z.M., Eruption of a boundary layer induced by a 2D vortex patch, Fluid Dyn. Res., 2009, 41, pp. 1–18.
• [12] Kudela H.; Malecha Z.M., Investigation of unsteady vorticity layer eruption induced by vortex patch using vortex particles method, J. Theoret. and Appl. Mech., 2007, 45, pp. 785–800.
• [13] Minorsky N. Dynamics and Nonlinear Mechanics: The Theory of Oscillations. Surveys in Applied Mathematics,1st ed., Wiley. New York, USA, 1958, pp. 110-206.
• [14] Moukalled F.; Mangani L.; Darwish M., The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics. An Advanced Introduction with OpenFoam and Matlab, Fluid Mechanics and Its Applications, Springer, Switzerland, 2016, pp. 113.
• [15] Perry A.E.; A description of eddying motions and turbulence. 9th Australian Fluid Mechanics Conference, Auckland, Australia, 1986 Dec 8-12, pp. 7–12.
• [16] Perry A.E.; Chong M.S., A description of eddying motions and flow patterns using critical-point concepts, Ann. Rev. Fluid Mech., 1987, 19 pp. 125–55.
• [17] Perry A.E.; Chong M.S., A series-expansion study of Navier–Stokes equations with applications to three-dimensional separation patterns, J. Fluid Mech., 1986, 173, pp. 208–223.
• [18] Pasiok R.; Stigler-Szydło, R., Sediment particles and turbulent flow simulation around bridge piers, Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2010, 10 2, pp. 67–79.
• [19] Seal C.V.; Smith C.R., Visualization of a mechanism for three-dimensional interaction and near-wall eruption, J. Fluid Mech., 1999, 394, pp. 193–203.
• [20] Smith C.R.; Walker J.D.A., Three-dimensional vortex interactions in turbulent boundary layers, Lehigh University, USA, 1989, pp. 1–71.
• [21] Smith C.R.; Walker J.D.A., Turbulent wall-layer vortices, Fluid Vortices,1st ed., S.I Green, Springer Science+Business Media, Dortrecht, Germany, 1995, Vol. 3, pp. 235–290.
• [22] Surana A.; Grunberg O.; Haller G., Exact theory of three-dimensional flow separation. Part 1. Steady separation., J. Fluid Mech., 2006, 564, pp. 57–103.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2021).