بررسی تجربی جریان پشت سیلندر مربعی سه بعدی با استفاده از کاوشگر پنج حفره و شبکه عصبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 مجتمع دانشگاهی مکانیک و هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، اصفهان، ایران

چکیده

در این مطالعه، ساختار جریان پشت سیلندر مربعی سه بعدی به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفته است. جهت استخراج مشخصات فیزیکی ساختار جریان در عدد رینولدز 104 از یک کاوشگر پنج حفره استفاده شده و توزیع سرعت متوسط، فشار کل، فشار استاتیک، خطوط جریان و ورتیسیته ارائه شده‌اند. برای کالیبراسیون کاوشگر پنج حفره به جای استفاده از روش‌های مرسوم کالیبراسیون، سیستم‌های شبکه عصبی و به طور مشخص تابع اساسی شعاعی به کار گرفته شده‌اند. با معرفی تعدادی از معیار‌های آماری و با مقایسه روش مطالعه حاضر با روش درون‌یابی خطی و روش انطباق منحنی چند جمله‌ای از مرتبه پنج، مشخص گردید تابع اساسی شعاعی دارای دقت مناسب و خطای کم‌تری در کالیبراسیون کاوشگر پنج حفره است. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که گردابه‌های نوک و پایه سیلندر با افزایش فاصله از سیلندر ضعیف‌تر می‌گردند. افزایش اندازه ناحیه دنباله در صفحات عرضی در نزدیکی انتهای آزاد سیلندر کمترین مقدار خود و در قسمت میانی بیشترین مقدار خود را داراست. هم‌چنین به اثر تغییر شکل انتهای آزاد سیلندر مربعی بر میدان فشار کل پشت سیلندر و بردار‌های سرعت در صفحات مختلف پرداخته شده‌است. ملاحظه شده است که در سیلندر مربعی با انتهای آزاد نیم‌بیضوی، ارتفاع و پهنای ناحیه دنباله به طور قابل توجهی نسبت به سیلندر سه بعدی با انتهای تخت کاهش می‌یابد. نتایج به خوبی اثر لایه برشی جدا شده از انتهای آزاد سیلندر را بر مشخصات فیزیکی جریان نشان می‌دهند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Flow Around a 3D Square Cylinder Using Five-Hole Probe and Neural Network Method

نویسندگان [English]

  • S. Fathi 1
  • A. A. Dehghan 1
  • M. Dehghan Manshadi 2
  • A. Movahedi 1
1 Department of Mechanical Engineering, Yazd University, Yazd, Iran
2 Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Malek Ashtar University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

In the present study, wake structure downstream a 3D square cylinder is experimentally investigated. The contours of mean velocity, total pressure, static pressure and vorticity are presented for the wake region. Five-hole probe is used for extracting the required wake properties and determining the flow structure. A novel neural network method is used for calibrating the five hole prob. The calibration map obtained by this method is compared with the conventional linear and 5th order polynomial surface fit algorithms. Based on the statistical parameters of calibration data, it is shown the neural network algorithm is more accurate and works faster than the other methods. Experimental results showed that with increasing the distance from the cylinder, tip and base vortices are weakened, the height of wake region decreases while its width increases simultaneously. The effects of free end shear layer on the flow structure are clarified in the results. Downwash flow from free end of cylinder and upwash flow from the bottom wall decrease the width of the wake region near top and bottom of cylinder in comparison with the mid-height region. The effect of free end shape of a finite square cylinder is also investigated. The shear layer separated from the free end plays an important role.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Square cylinder
  • Five-hole probe
  • Neural Network
  • Vortex
  • free end

مراجع

[1] Uffinger, T., I. Ali and S. Becker, “Experimental and numerical investigations of the flow around three different wall-mounted cylinder geometries of finite length”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 119 (2013): 13-27.
[2] Wang, H. F. and Y. Zhou, “The finite-length square cylinder near wake”, Journal of Fluid Mechanics, 638(2009): 453-490.
[3] Wang, H. F., Y. Zhou, C. K. Chan and K. S. Lam, “Effect of initial conditions on interaction between a boundary layer and a wall-mounted finite-length-cylinder wake”,Physics of Fluids, 18.6 (2006): 065106.
[4] Sattari, P., J. A. Bourgeois and R. J. Martinuzzi, “On the vortex dynamics in the wake of a finite surface-mounted square cylinder”, Experiments in Fluids, 52.5 (2011):1149-1167.
[5] Sheridan, J W., J. Welsh, M. C. Hourigan and M.Thompson, “Longitudinal vortex structures in a cylinder wake”, 1994: 2883-2885.
[6] Pattenden, R. J., S. R. Turnock and X. Zhang, “Measurements of the flow over a low-aspect-ratio cylinder mounted on a ground plane”, Experiments in Fluids, 39.1 (2005): 10-21.
[7] Iungo, G. V., L. M. Pii and G. Buresti, “Experimental investigation on the aerodynamic loads and wake flow features of a low aspect-ratio circular cylinder”, Journal of Fluids and Structures, 28 (2012): 279-291.
[8] Shiki akamoto, Y. S., “Vortex Shedding From a Circular Cylinder of Finite Length Placed on a Ground Plane”, Journal of Fluids Engineering, (1992): 512-521.
[9] Sumner, D. and J. L. Heseltine, “O. Dansereau, Wake structure of a finite circular cylinder of small aspect ratio”, Experiments in Fluids, 37.5 (2004): 720-730.
[10] Sumner, D. and J. Heseltine, “Tip vortex structure for a circular cylinder with a free end”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 96.6-7(2008): 1185-1196.
[11] Roh, S. and S. Park, “Vortical flow over the free end surface of a finite circular cylinder mounted on a flat plate”, Experiments in Fluids, 34.1 (2003): 63-67.
[12] Adaramola, M. S., O. G. Akinlade, D. Sumner, D. J.Bergstrom and A. J. Schenstead, “Turbulent wake of a finite circular cylinder of small aspect ratio”, Journal of Fluids and Structures, 22.6-7 (2006): 919-928.
[13] Sumner, D., “Two circular cylinders in cross-flow”, A review, Journal of Fluids and Structures, 26.6 (2010):849-899.
[14] Park, C. W., S. J. Lee, “Free end effects on the near wake flow structure behind a finite circular cylinder”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 88.2–3 (2000): 231-246.
[15] Krajnovic, S., “Flow around a tall finite cylinder explored by large eddy simulation”, J.Fluid Mech, (2011): 294-317.
[16] Movahedi, A., A. Sohankar and M. Dehghan Manshadi,“Experimental investigation of turbulent flow around a 3d square cylinder with wall effect”, Sharif Mechanical Engineering Journal, 30-3.1 (2014): 65-77.
[17] Wang, J. J., G. H Sheng and N. Li, “Drag reduction of square cylinders with cut-corners at the front edges”, Exp Fluids, 2014.
[18] Javadi, K., “On the Turbulent Flow Structures over a Short Finite Cylinder Numerical Investigation”. Proceedings of the International Conference on Heat Transfer and Fluid Flow, 2014.
[19] Park, C.W., S.J Lee, “Effects of free-end corner shape on flow structure around a finite cylinder”, Journal of Fluids and Structures, (2004): 141-158.
[20] Farell, C., S. Carrasquel, O. Guven and X. Patel, “Effect of wind tunnel walls on the flow past circular cylinder and cooling tower models”, J. Fluids Eng., 1977.
[21] Moody, J. and J. Darke, “Fastlearning in networks of locally-tuned processing units”. Neural Computation, 1, 281-294, (1989): 281-294.
[22] Lowe, D. and D. Broomhead, “Multivariable functional interpolation and adaptive networks”, Complex Syst. 2 (1988): 321-355.
[23] Dayhoff, J. E., “Neural Network Architectures: an Introduction”. Van Nostrand Reinhold, 1990.
[24] Huang, S. H. and C. Hong, “Artificial neural networks in manufacturing: concepts, applications, and perspectives”, IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol. Part A 17 (1994): 212-228.
[25] Kawai, H. and Y. Ohashi, “Three Dimensional Structures behind a Square Prism”. The Seventh Asia- Pacific Conference on Wind Engineering, November 8-12, 2009, Taipei, Taiwan.
[26] H. F. Wang, Y. Chan, W. Wong, K. Lam, “Flow Structure Around A Finite-Length Square Prism”, 15th Australasian Fluid Mechanics Conference. The University of Sydney, Sydney, Australia 13-17 December, 2004.
[27] Shuji Tanaka, S. M., “An investigation of the wake structure and aerodynamic characteristic of a finite circular cylinder”, (1999): 178-187.
[28] Fox, R. W., A. T. McDonald’s, “introduction to fluid mechanics, analysis of experimental uncertainty”, fluid mechanics, Eight edition, (2011): 829-836.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 49، شماره 1
اردیبهشت 1396
صفحه 67-82

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار