Numerical Simulation of Laminar Flows for a Circular Cylinder Vertically Piercing Free Surface

수직원통 주위의 자유표면 층류운동의 수치해석

In this paper, effects of free surface on viscous flow is investigated. Continuity equation coupled with Navier-Stokes equations are solved numerically by using an artificial compressibility method[1, 2]. The body-fitted generalized curvilinear coordinate system is employed to deal with arbitrary body shape. The IAF scheme with finite difference method is used to solve the equations, and a diagonal algorithm is applied to time-varying Jacobian matrices for the computational economics. Free surface shape is obtained by applying zero pressure condition to still water surface at each time step. A numerical test is made for larminar flow around a circular cylinder vertically piercing the free surface. Computed flow patterns are largely affected by the existance of free surface in low Reynolds number flows treated in this paper. Free surface causes viscous pressure drag to vary much in depth direction in accordance with the variations of flow pattern.

본 논문에서는 점성유동에 미치는 자유표면의 영향을 조사하기 위하여 자유표면을 수직으로 관통하는 원통 주위의 유동을 수치 시뮬레이션 하였다. 수치해석 방법으로서 Artificial Compressibility Method를 사용하였으며, 계산은 낮은 레이놀드수의 영역에 국한하였다. 계산결과는 자유표면에 가까운 유체영역에서 유선, 점성항력 등에 적지않은 영향이 있음을 보여주고 있다. 자유표면의 존재는 물체 후류 중의 와류를 물체로 부터 분리시키는 방향으로, 점성항력을 감소시키는 방향으로 작용하는 것으로 보인다.