Physics of Fluids

Xác định nhiệt độ trong ống sốc là một trong những yếu tố quan trọng nhất để hiểu rõ động lực học dòng chảy bên trong. Trong nghiên cứu hiện tại, việc xác định nhiệt độ của bể chứa trong ống sốc đã được tiến hành bằng cách sử dụng phổ phát xạ cực tím của gốc hydroxyl (OH) trong băng A-X. Một mô hình bức xạ cho quá trình chuyển tiếp OH A-X đã được phát triển và được xác thực bằng cách sử dụng dữ liệu chuẩn. Các tham số phù hợp đường cong, chẳng hạn như tỷ lệ đỉnh đến đỉnh và cường độ đỉnh tuyệt đối của nhánh P, được đề xuất để đánh giá nhiệt độ quay vòng và mật độ số lượng OH từ các phổ phát xạ đã đo được. Trong các thí nghiệm ống sốc, không khí ẩm từ bầu khí quyển được sử dụng làm khí thử nghiệm, và một lượng nhỏ phát xạ OH cực tím đã được đo phía sau sóng sốc phản xạ. Quang phổ đã đo được chuyển đổi thành nhiệt độ quay vòng và mật độ số lượng sử dụng mô hình phát xạ OH A-X hiện tại. Sau đó, nhiệt độ quay vòng được đánh giá được so sánh với các giá trị tính toán của điều kiện bể chứa phía sau sóng sốc phản xạ. Một sự đồng nhất tốt đã được phát hiện giữa nhiệt độ đã đo được và nhiệt độ tính toán, cụ thể là 4020 ± 290 K và 4110 ± 220 K, tương ứng. Nó được công nhận rằng nhiệt độ bể chứa phía sau sóng sốc phản xạ được mô tả tốt bởi mô hình phát xạ cực tím OH A-X hiện tại.

Chúng tôi nghiên cứu điều kiện biên vận tốc cho các bề mặt cong trong phương trình Boltzmann lưới (LBE). Chúng tôi đề xuất một điều kiện bề mặt LBE cho các bề mặt chuyển động bằng cách kết hợp phương pháp “nảy lùi” và nội suy không gian bậc nhất hoặc bậc hai. Điều kiện bề mặt được đề xuất là một phương pháp đơn giản, chắc chắn, hiệu quả và chính xác. Độ chính xác bậc hai của điều kiện biên được chứng minh cho hai trường hợp: (1) dòng Couette hình tròn hai chiều phụ thuộc theo thời gian và (2) dòng ổn định hai chiều qua một mảng định kỳ các hình trụ tròn (dòng chảy qua các phương tiện xốp của hình trụ). Đối với trường hợp đầu tiên, giải pháp Boltzmann lưới được so sánh với giải pháp phân tích của phương trình Navier–Stokes. Đối với trường hợp thứ hai, giải pháp Boltzmann lưới được so sánh với một giải pháp phần tử hữu hạn của phương trình Navier–Stokes. Các giải pháp Boltzmann lưới cho cả hai dòng chảy đều phù hợp rất tốt với các giải pháp của phương trình Navier–Stokes. Chúng tôi cũng phân tích mô-men xoắn do sự chuyển giao động lượng giữa chất lỏng và bề mặt cho hai điều kiện ban đầu: (a) hình trụ bắt đầu đột ngột và chất lỏng đứng yên, và (b) chất lỏng quay đồng đều và hình trụ đứng yên.

Sự thiếu hụt một phương pháp đơn giản để tạo ra các giọt có bán kính (Rd) nhỏ hơn nhiều so với các vòi phun (R) sản xuất chúng từ trước đến nay đã là một hạn chế lớn của kỹ thuật giọt theo yêu cầu. Do đó, cách đáng tin cậy duy nhất để giảm Rd cho đến nay là giảm R. Một phương pháp mới được báo cáo cho phép giảm thể tích giọt theo một bậc độ trong khi vẫn sử dụng cùng một vòi phun. Đã chỉ ra rằng chìa khóa để hình thành các giọt có Rd<R là kiểm soát thích hợp các thang thời gian mao quản, độ nhớt và quán tính điều khiển dòng chảy bên trong vòi phun và giọt đang hình thành. Các thang thời gian này được kiểm soát trong các thí nghiệm bằng cách điều khiển thích hợp một ống chóp piezoelectric bao quanh một ống mao quản nhỏ, và sự tương tác giữa chúng được làm rõ qua tính toán.

In experimental aerodynamics (and hydrodynamics) it is well known that, if the flow past a solid body is steady, then the total force on the body can be conveniently estimated by the measured flow data on an appropriate control surface alone. We now show that, for the first time, the steady-flow condition can be removed provided that the flow is incompressible: two innovative formulas for the total force acting on any solid body that moves and deforms arbitrarily in a viscous incompressible fluid, solely in terms of control-surface integrals, are derived based on derivative-moment transformations. The formulas are verified by a numerical test for flow over a two-dimensional fishlike swimming body.

Wake-induced vibration (WIV) of a circular cylinder in the wake of a stationary bluff body at a low Reynolds number of 100 is numerically investigated in this work. Square prism, rectangular plate, and triangular prism with the same projected width as the diameter of the circular cylinder are employed as the upstream bluff body to examine the effect of obstacle’s shape on the wake interference and WIV. The downstream circular cylinder is allowed to oscillate in both inline and crossflow directions. Three spacing ratios of 2, 4, and 6 are considered in the computations that carried out for a wide range of reduced velocities (Ur = 2–20). In terms of shear layer reattachment, vortex impingement, and wake interference, three distinct flow regimes are identified for the upstream-stationary-downstream-vibrating tandem cylinders, i.e., continuous reattachment regime, alternating reattachment regime, and coshedding regime. The wake flow pattern is sensitive to the spacing ratio and the reduced velocity. Due to the vigorous streamwise response, the gap between the tandem cylinders varies over time and hence the switching of wake regime. Both the hydrodynamic forces and vibration response are tightly associated with the wake interaction. Among the three configurations, the cylinder behind a square prism possesses the largest cross-flow amplitude, while the cylinder behind a plate and that behind a triangular prism present more oscillating characteristics in the response amplitude, due mainly to the unstable and irregular vortex evolution.

A lattice Boltzmann boundary condition for simulation of fluid flow using simple extrapolation is proposed. Numerical simulations, including two-dimensional Poiseuille flow, unsteady Couette flow, lid-driven square cavity flow, and flow over a column of cylinders for a range of Reynolds numbers, are carried out, showing that this scheme is of second order accuracy in space discretization. Applications of the method to other boundary conditions, including pressure condition and flux condition are discussed.

Here we propose a technique that successfully reconstructs ocean bathymetry from the free surface velocity and elevation data. This technique is based on the principles of open-channel hydraulics, according to which a sub-critical flow over a seamount creates a free surface dip. The proposed method recognizes that such a free surface dip contains the signature of the bottom topography, hence inverts the free surface to reconstruct the topography accurately. We applied our inversion technique on re-analysis data and reconstructed the Mediterranean Sea and the Red Sea bathymetries of 1/12° resolution with approximately 90% accuracy.

Bed particle entrainment by turbulent wall-shear flow is a key topic of interest in hydrodynamics because it plays a major role to govern the planetary morphodynamics. In this paper, the state-of-the-art review of the essential mechanisms governing the bed particle entrainment by turbulent wall-shear flow and their mathematical modeling is presented. The paper starts with the appraisal of the earlier multifaceted ideas in modeling the particle entrainment highlighting the rolling, sliding, and lifting modes of entrainment. Then, various modeling approaches of bed particle entrainment, such as deterministic, stochastic, and spatiotemporal approaches, are critically analyzed. The modeling criteria of particle entrainment are distinguished for hydraulically smooth, transitional, and rough flow regimes. In this context, the responses of particle size, particle exposure, and packing condition to the near-bed turbulent flow that shears the particles to entrain are discussed. From the modern experimental outcomes, the conceptual mechanism of particle entrainment from the viewpoint of near-bed turbulent coherent structures is delineated. As the latest advancement of the subject, the paper sheds light on the origin of the primitive empirical formulations of bed particle entrainment deriving the scaling laws of threshold flow velocity of bed particle motion from the perspective of the phenomenological theory of turbulence. Besides, a model framework that provides a new look on the bed particle entrainment phenomenon stemming from the stochastic-cum-spatiotemporal approach is introduced. Finally, the future scope of research is articulated with open questions.

To consider stall flutter in the design procedure of a blade, accurate models of flow loading are needed. This paper first presents a numerical simulation of an airfoil undergoing a deep dynamic stall employing a computational fluid dynamics code. Overset and polyhedral grid techniques are adopted to accurately simulate the flow field at high angles of attack. Having validated the simulation, the occurrence of stall flutter over a pitching airfoil with an increase in amplitude and frequency of oscillations is examined. The results express that the amplitude of the lift and pitching moment depends on the amplitude of the forced oscillation and there are higher harmonics of the pitching moment compared to the forced oscillation frequency content, both indicating the nonlinearity of aerodynamic lift and pitching moment. Subsequently, a nonlinear reduced model of the dynamic stall is derived using a fuzzy inference system (FIS) and the adaptive network-based FIS (ANFIS). Due to the unsatisfactory results of modeling, especially at post-stall angles of attack, the Gram–Schmidt orthogonalization technique is used to construct a more complex structure of the input variables. The new higher-order input variables have been re-employed by FIS and ANFIS. The results show that excellent modeling is achieved by ANFIS between the new structure of the inputs and the corresponding aerodynamic coefficients using only 10% of input–output data. Having found an appropriate relation, the proposed reduced-order model could properly predict the aerodynamic response of the pitching airfoil at two reduced frequencies.

Dynamic Mode Decomposition (DMD) is a data-driven reduced order method, which is known for its power to capture the basic features of dynamical systems. In fluid dynamics, modal analysis of unsteady fluid flows over moving structures is significant in terms of state estimation and control. However, the underlying algorithm of the DMD requires a fixed spatial domain, which is an obstacle for applying the DMD on the numerically investigated problems using dynamic meshes. In this study, a hybrid method called Hybrid Dynamic Mode Decomposition (HDMD) is presented for analysis of unsteady fluid flows over moving structures based on the DMD and machine learning. According to the assessment of several data interpolation methods, the K-nearest neighbor algorithm is employed for the interpolation of the numerical data from dynamic meshes at each time step to a single stationary grid. Three different case studies (rotating cylinder, oscillating airfoil, and Savonius wind turbine) are assessed to ensure the validity of the proposed method. Minimum mean R2 equal to 0.92 has been obtained for all of the mentioned cases, indicating the robustness of the HDMD algorithm for a variety of fluid flow simulations.