Experimental Investigation of Flow Structure Around Rectangular Prismatic Bodies with Different Aspect Ratios

Abstract

In this study, the flow structure around bluff bodies in the form of rectangular prisms with different aspect ratios was experimentally investigated by particle imaging velocity measurement (PIV) technique. In the study, rectangular prism shaped geometries produced from acrylic material in the form of horizontal square prism, cube, vertical square prism (H / L = 0.5, H / L = 1, H / L = 2, respectively) in different aspect ratios were used. Using the PIV technique, instantaneous velocity vector data acquired, instantaneous vorticity and streamlines were calculated, and time average velocity values, streamlines and velocity profiles were determined according to these data. In the experiments, the Re number was calculated as 26000, depending on parameters such as model dimensions, flow velocity, density, and viscosity of the fluid. As a result of the study, it has been determined that an acceleration zone that starts in the upper left corner of the examined geometries and extends along the x-axis and the points where the velocity in the flow direction is maximum are in this region. It has been determined that the vertically placed H/L=2 (vertical) prism increases the wake region (≌ 2L) formed behind the geometry compared to the other prisms (H/L=1 cubic and H/L=0.5 horizontal).

 

Keywords

• Flow characteristic
• PIV
• Bluff body

Farklı En Boy Oranlarına Sahip Dikdörtgensel Prizmatik Cisimler Etrafındaki Akış Yapısının Deneysel Olarak İncelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, farklı en/boy oranlarına sahip dikdörtgenler prizması şeklindeki küt cisimler etrafındaki akış yapısı “parçacık görüntülemeli hız ölçüm tekniği” (PIV) ile deneysel olarak incelenmiştir. Çalışmada farklı en/boy oranlarında yatay kare prizma, küp, dik kare prizma şeklinde (sırasıyla H/L=0.5, H/L=1, H/L=2) akrilik malzemeden üretilmiş dikdörtgenler prizması şeklinde geometriler kullanılmıştır. PIV tekniği kullanılarak anlık olarak elde edilen hız vektörleri ile anlık girdap, akım çizgisi gibi bileşenler hesaplanmış, elde edilen verilere göre zaman ortalama hız değerleri, girdaplık değerleri, akım çizgileri ve hız profilleri belirlenmiştir. Deneylerde model boyutları, akış hızı, akışkanın yoğunluğu ve viskozitesi gibi parametrelere bağlı olarak Re sayısı 26000 olarak hesaplanmıştır. Çalışma sonucunda, incelenen geometrilerin sol üst köşesinde başlayan ve x ekseni boyunca uzanan bir hızlanma bölgesinin oluştuğu ve akış yönündeki hızın maksimum olduğu noktaların bu bölgede olduğu tespit edilmiştir. Dik olarak yerleştirilen H/L=2 (dik) prizmanın, diğer prizmalara göre (H/L=1 kübik ve H/L=0.5 yatay) geometri arkasında oluşan ölü alan bölgesini (≌ 2L) arttırdığı tespit edilmiştir.  

Keywords

• Akış karakteristiği
• PIV
• Küt cisim

References

1. [1]T. Durhasan, “Flow topology downstream of the hollow square cylinder with slots”, Ocean Engineering, vol. 209, pp. 107518, 2020.
2. [2]A. F. Akon ve G. A. Kopp, “Turbulence structure and similarity in the separated flow above a low building in the atmospheric boundary layer”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 182, pp. 87–100, 2018.
3. [3]D. Chatterjee ve S. Amiroudine, “Two-dimensional mixed convection heat transfer from confined tandem square cylinders in cross-flow at low Reynolds numbers”, International Communications in Heat and Mass Transfer, vol. 37, no. 1, pp. 7–16, 2010.
4. [4]H. Kawai, Y. Okuda, ve M. Ohashi, “Near wake structure behind a 3D square prism with the aspect ratio of 2.7 in a shallow boundary layer flow”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 104–106, pp. 196–202, 2012.
5. [5]S. Li, Z. Luo, X. Deng, W. Peng, ve Z. Liu, “Experimental investigation on active control of flow around a finite-length square cylinder using dual synthetic jet”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 210, pp. 104519, 2021.
6. [6]Y. Tamura, X. Xu, ve Q. Yang, “Characteristics of pedestrian-level Mean wind speed around square buildings: Effects of height, width, size and approaching flow profile”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 192, pp. 74–87, 2019.
7. [7]C. Diaz-Daniel, S. Laizet, ve J. C. Vassilicos, “Direct numerical simulations of a wall-attached cube immersed in laminar and turbulent boundary layers”, International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 68, pp. 269–280, 2017.
8. [8]M. Princevac, J. J. Baik, X. Li, H. Pan, ve S. B. Park, “Lateral channeling within rectangular arrays of cubical obstacles”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, vol. 98, no. 8–9, pp. 377–385, 2010.

9. [9]Y. Zhao, X. Ma, C. Zhang, H. Wang, ve Y. Zhang, “3D real-time volumetric particle tracking velocimetry – A promising tool for studies of airflow around high-rise buildings”, Building and Environment, vol. 178, pp. 106930, 2020.
10. [10]A. Fertelli, “Tek ve iki bina etrafındaki rüzgar etkilerinin sayısal olarak incelenmesi”, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, ss. 111–120, 2017.
11. [11]B. L. da Silva, R. Chakravarty, D. Sumner, ve D. J. Bergstrom, “Aerodynamic forces and three-dimensional flow structures in the mean wake of a surface-mounted finite-height square prism”, International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 83, pp. 108569, 2020.
12. [12]R. Martinuzzi ve C. Tropea, “The flow around surface-mounted, prismatic obstacles placed in a fully developed channel flow: (Data bank contribution)”, Journal of Fluids Engineering, Transactions of the ASME, vol. 115, no. 1, pp. 85–92, 1993.
13. [13]N. Tonui ve D. Sumner, “Flow around impulsively started square prisms”, Journal of Fluids and Structures, vol. 27, no. 1, pp. 62–75, 2011.
14. [14]M. Özdoğan, B. Sungur, L. Namlı, B. Topaloğlu, ve A. Durmuş, “A comparative study of turbulence model effects in numerical analyzing flow around the buildings having various aspect ratios / Farklı en-boy oranlarına sahip binaların etrafındaki akışın sayısal çözümünde türbülans modellerinin etkisinin karşılaştırmalı araştırılması”, c.12, s. 3, pp. 585-595, Celal Bayar Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 2016.
15. [15]Y. Tominaga, S. ichi Akabayashi, T. Kitahara, ve Y. Arinami, “Air flow around isolated gable-roof buildings with different roof pitches: Wind tunnel experiments and CFD simulations”, Building and Environment, vol. 84, pp. 204–213, 2015.
16. [16]M. H. Khan, P. Sooraj, A. Sharma, ve A. Agrawal, “Flow around a cube for Reynolds numbers between 500 and 55,000”, Experimental Thermal and Fluid Science, vol. 93, pp. 257–271, 2018.
17. [17]J. Zhang, H. Chen, B. Zhou, ve X. Wang, “Flow around an array of four equispaced square cylinders”, Applied Ocean Research, vol. 89, pp. 237–250, 2019.
18. [18]X. K. Wang, J. X. Zhang, Z. Hao, B. Zhou, ve S. K. Tan, “Influence of wall proximity on flow around two tandem circular cylinders”, Ocean Engineering, vol. 94, pp. 36–50, 2015.
19. [19]M. Özalp, C , Polat, C , Saydam, D , Söyler, “Dye Injection Flow Visualization Around a Rotating Circular Cylinder”, European Mechanical Science, vol. 4, no. 4, pp. 185–189, 2020.
20. [20]C. Polat, “Farklı dizilimlere sahip binalar etrafındaki akış karakteristiklerinin PIV yöntemi ile deneysel olarak incelenmesi”, Yüksek lisans tezi, Enerji Sistemleri Mühendisliği, Fen Bilimleri Ensitütüsü, Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi, Osmaniye, Türkiye, 2019.