In this study, we present the theoretical, numerical and experimental results of the sink flow from a rotating, circular tank Strikingly enough, when the upper free surface was set with no-slip boundary conditions, the Ekman boundary-layer develops not only above the bottom surface but under the free surface. The sink fluid is coming from the two Ekman layers, and the mass transfer from the bulk, inviscid region is dependent on the rotational speed. It is also remarkable to see that all the fluid gathered along the axis flows through a rapidly rotating fluid column with almost the same size as the hole.
Prediction of the product shape in sheet casting process is performed from the numerical simulation. A three-dimensional finite element method is used to investigate the flow behavior and to examine the effects of processing conditions on the sheet produced. Effects of inertia, gravity, surface tension and non-Newtonian viscosity on the thickness profile of the sheet are considered since the edge bead and the flow patterns in the chill roll region have great influence on the quality of the products. In the numerical simulation with free surface flows, the spine method is adopted to update the free surface, and the force-free boundary condition is imposed along the take-up plane to avoid severe singularity problems existing at the take-up plane. From the numerical results of steady isothermal flows of a generalized Newtonian fluid, it is shown that the draw ratio plays a major role in predicting the shape of the final sheet produced and the surface tension has considerable effect on the bead thickness ratio and the bead width fraction, while shear-thinning and/or tension-thickening viscosity affect the degree of neck-in.
In this research a numerical simulation method is developed for moving body in free surface flows using fixed staggered rectangular grid system. The non-linear free surface near the body is defined by marker-density method. The body boundary is defined by line segment connecting the points where the body surface and grid line meet. Continuity equation and Navier-Stokes equations are used as governing equations and the equations are coupled with two-step projection method. The velocities and pressures of body boundary and free surface cells are calculated with simultaneous iterative method. To treat a body movement in a fixed grid system, the volume displaced by moving body is added to the divergence of the body boundary cell. For the verification of the present numerical method. vortex shedding period of advancing cylinder is calculated and the period is compared with existing experiment results. Moreover, added mass and damping coefficients of a vertically excited box are calculated and the computed results are compared with published experiment results. Impulsive pressure and water level variation due to sloshing phenomenon are simulated and the results are compared with published experiment results. Varying the plunger shape, the waves generated by plunging type wave maker are compared with the 2nd order Stokes wave theory The plunger shape generating the wave that shows the best agreement with the theory is represented.
Accurate simulation of free-surface wave flows around a ship is very important for better hull-form design. In this paper, a computational fluid dynamics (CFD) code, termed SNUFOAM, which is based on the open source libraries, OpenFOAM, was developed to predict the wave patterns around a ship. Additional anti-diffusion source term for minimizing a numerical diffusion, which was caused by convection differencing scheme, was considered in the volume-fraction transport equation. The influence of the anti-diffusion source term was tested by applying it to free-surface wave flow around the Wigley model ship. In results, the band width of the volume fraction contours between 0.1 to 0.9 at the hull surface was narrowed by considering the anti-diffusion term.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.49
no.3
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pp.247-253
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2012
Dam-break flows, a type of very shallow gravity-driven flow, are substantially influenced by resistance forces due to viscous friction and turbulence. Assuming turbulent flow, the main focus of this study is to validate the increase of drag forces caused by surface roughness and especially turbulence intensity. A Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) approach with the standard k-${\varepsilon}$ turbulence model is used for this study, where the free surface motion is captured by using a volume of fluid(VOF) method. Surface roughness effects are considered through the law of the wall modified for roughness, while the initial turbulence intensity which determines the lowest level of turbulence in the flow domain of interest is used for the variation of turbulence intensity. It has been found that the numerical results at higher turbulence intensities show a reasonably good agreement with the physical aspects shown by two different dam-break experiments without and with the impact of water.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.29
no.5
s.236
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pp.609-616
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2005
While the SIMPLE algorithm is most widely used for the simulations of flow phenomena that take place in the industrial equipments or the manufacturing processes, it is less adopted for the simulations of the free surface flow. Though the SIMPLE algorithm is free from the limitation of time step, the free surface behavior imposes the restriction on the time step. As a result, the explicit schemes are faster than the implicit scheme in terms of computation time when the same time step is applied to, since the implicit scheme includes the numerical method to solve the simultaneous equations in its procedure. If the computation time of SIMPLE algorithm can be reduced when it is applied to the unsteady free surface flow problems, the calculation can be carried out in the more stable way and, in the design process, the process variables can be controlled based on the more accurate data base. In this study, a modified SIMPLE algorithm is presented fur the free surface flow. The broken water column problem is adopted for the validation of the modified algorithm (MoSIMPLE) and for comparison to the conventional SIMPLE algorithm.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.1
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pp.11-19
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2010
A code is developed to simulate incompressible free surface flows using the Roe's flux-difference splitting scheme. An interface of two fluids is considered as a moving contact discontinuity. The continuities of pressure and normal velocity across the interface are enforced by the conservation law in the integral sense. The fluxes are computed using the Roe's flux-difference splitting scheme for two incompressible fluids. The interface can be identified based on the computed density distribution. However, no additional treatment is required along the interface during the whole computations. Complicated time evolution of the interface including topological change can be captured without any difficulties. The developed code is applied to simulate the Rayleigh-Taylor instability of two incompressible fluids in the density ratio of 7.2:1 and the broken dam problem of water-air. The present results are compared with other available results and good agreements are achieved for the both cases.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.44
no.3
s.153
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pp.248-257
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2007
Turbulent flows around a sailing yacht hull were calculated using CFD technique. Grid system was generated by using Gridgen package and Fluent package was used to calculate flows around a 30ft-class yacht hull designed by MOERI. The drafts at starboard and port sides of a yacht. when the hull was heeled, were determined by adjusting the same displacement in the generated grid system. Pressure distribution on the sailing yacht hull was obtained and the changes of drag and side force by heel and leeway variation were shown. The flow calculations have been carried out both with and without free surface, and keel and rudder were included for both cases. It was found that the calculated results with free surface gives better agreement with experiments than those without free surface, although there are still a room for the improvement in correct prediction of forces.
The free-surface flow is simulated to make clear the viscous interaction of stem waves and the sub-breaking phenomena around a high speed vehicle. The Navier-Stokes equation is solved by a finite difference method where the body-fitted coordinate system, the wall function and the triple-grid system are invoked They are applied to study precisely on the stem flow of S-103 as to which extensive experimental data are available. Computations are extended to the submerged revolutional body. The numerical result shows that the gradient of M/Us is greatly influenced by the submerged depth And the stem wave is influenced by the separation due to the bow wave.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.32
no.8
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pp.1215-1220
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2008
To obtain the shape of the free surface more accurately, computations are carried out by a finite volume method using unstructured meshes and an interface capturing method. Free-surface flow, which is very important in the fields of ship and marine engineering, is numerically simulated for flows of both water and air. Control volumes are used with an arbitrary number of faces and allows a local mesh refinement. The integration is of second order, with a midpoint rule integration and linear interpolation. The method is fully implicit and uses quadratic interpolation. The solution method of pressure-correction type solves sequentially equations of momentum, continuity, conservation, and two-equations turbulence model. Comparison are quantitatively made between the computation and experiment in order to confirm the solution method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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