Wave propagation in a three-dimensional (3D) fully nonlinear numerical wave tank (NWT) is studied based on velocity potential theory. The governing Laplace equation with fully nonlinear boundary conditions on the moving free surface is solved using the indirect desingularized boundary integral equation method (DBIEM). The fourth-order predictor-corrector Adams-Bashforth-Moulton scheme (ABM4) and mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method are used for the time-stepping integration of the free surface boundary conditions. A smoothing algorithm, B-spline, is applied to eliminate the possible saw-tooth instabilities. The artificial wave speed employed in MTF (multi-transmitting formula) approach is investigated for fully nonlinear wave problem. The numerical results from incorporating the damping zone (DZ), MTF and MTF coupled DZ (MTF+DZ) methods as radiation condition are compared with analytical solution. An effective MTF+DZ method is finally adopted to simulate the 3D linear wave, second-order wave and irregular wave propagation. It is shown that the MTF+DZ method can be used for simulating fully nonlinear wave propagation very efficiently.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.41
no.4
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pp.38-44
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2004
The motion response analysis of a submerged elliptic cylinder in waves is presented and the elliptic cylinder is a simplification of the section of submarine in this paper. The method is based on boundary integral method and two-dimensional 3 degree motions are calculated in regular harmonic waves. The fully nonlinear free surface boundary condition is assumed in an numerical domain and this solution is matched along an assumed boundary as a linear solution composed of transient Green function, The large amplitude motions of an elliptic cylinder are directly simulated and effects of wave frequency, wave amplitude and the distance from buoyancy center to gravity center are discussed.
Kyoung Jo Hyun;Bai Kwang June;Chung Sang Kwon;Kim Do Young
Proceedings of the KSME Conference
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2002.08a
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pp.381-384
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2002
The free surface flow problem has been one of the most interesting and challenging topic in the area of the naval ship hydrodynamics and ocean engineering field. The problem has been treated mainly in the scope of the potential theory and its governing equation is well known Laplace equation. But in general, the exact solution to the problem is very difficult to obtain because of the nonlinearlity of the free surface boundary condition. Thus the linearized free surface problem has been treated often in the past. But as the computational power increases, there is a growing trend to solve the fully nonlinear free surface problem numerically. In the present study, a time-dependent finite element method is developed to solve the problem. The initial-boundary problem is formulated and replaced by an equivalent variational formulation. Specifically, the computations are made for a highly nonlinear flow phenomena behind a transom stern ship and a vertical strut piercing the free surface.
Selected Papers of The Society of Naval Architects of Korea
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v.2
no.1
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pp.63-78
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1994
This paper deals with the treatment of the open boundary in two-dimensional free-surface wave problems. Two numerical schemes are investigated for the implementation of the open boundary condition. One is to add the artificial damping term to the dynamic free-surface boundary condition, in which the determination of suitable damping coefficient and the damping zone is the most important. The other is a modified Orlanski's method, which is known to be very useful for the uni-directional waves. Using these two schemes, numerical tests have been conducted for a few typical free-surface wave problems. To obtain the numerical solution of the free-surface boundary value problem, the fundamental source-distribution method is used and the fully nonlinear free-surface boundary conditions are applied. The computed results are presented in comparison with those of others for the proof of practicality of these two schemes.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2000.04a
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pp.140-145
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2000
The spectral method which is composed of an eigenfunction expansion of free modes in the wave number domain is used to produce two dimensional unsteady inviscid wave simulation such as progressive waves in a numerical pneumatic wave tank. A spatial and time dependent free surface elevation and the potential are calculated by integrating ODE derived from fully nonlinear kinematic and dynamic free surface boundary condition at each time step. The nonlinear characteristics in the waves by this method were notable as increasing wave steepness. This method is very useful and powerful in terms of saving computational time caused by rapid convergence exponentially with increasing number of nodes, even preserving accurate numerical results. Moreover, it will given us many possibilities to apply to naval and ocean engineering fields.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.29
no.3
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pp.80-89
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1992
This paper deals with the open boundary problems, and two numerical schemes are used for the implementation of open boundary condition. One is to add the artificial damping term to dynamic free-surface boundary condition. Determination of suitable damping coefficient and the damping cone is the most important in this scheme. The other scheme is a modified Orlanski's method. This will be useful for the problems with unidirectional waves. A few typical free-surface wave problems are modeled for the numerical test. Method of solution is fundamental source-distribution method and the fully nonlinear boundary conditions are applied. The computed results are compared with those of others for the proof of practicality of these schemes.
A numerical analysis for wave motion in the shallow water is presented. The method is based on potential theory. The fully nonlinear free surface boundary condition is assumed in an inner domain and this solution is matched along an assumed common boundary to a linear solution in outer domain. In two-dimensional problem Cauchy's integral theorem is applied to calculate the complex potential and its time derivative along boundary.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.6
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pp.598-612
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2017
The recently developed Harmonic Polynomial Cell (HPC) method has been proved to be a promising choice for solving potential-flow Boundary Value Problem (BVP). In this paper, a flux method is proposed to consistently deal with the Neumann boundary condition of the original HPC method and enhance the accuracy. Moreover, fixed mesh algorithm with free surface immersed is developed to improve the computational efficiency. Finally, a two dimensional (2D) multi-block strategy coupling boundary-fitted mesh and fixed mesh is proposed. It limits the computational costs and preserves the accuracy. A fully nonlinear 2D numerical wave tank is developed using the improved HPC method as a verification.
A time-domain simulation of a land-based Oscillating Water Column (OWC) with various irregular waves as a form of PM spectrum is performed by using a two-dimensional fully nonlinear numerical wave tank (NWT) based on the potential theory, mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) approach, and boundary element method. The nonlinear free-surface condition inside the OWC chamber was specially devised to describe both the pneumatic effect of the time-varying pressure and the viscous energy loss due to water column motions. The quadratic models for pneumatic pressure and viscous loss are applied to the air and free surface inside the chamber, and their numerical results are compared with those with equivalent linear ones. Various wave spectra are applied to the OWC system to predict the efficiency of wave-energy take-off for various wave conditions. The cases of regular and irregular waves are also compared.
The motion response results of a submerged submarine section in waves are presented. The numerical method is based on Cauchy's integral and 3 degrees-of-freedom motions of submarine sections are calculated in two dimensions, in regular waves. The fully nonlinear free surface and body boundary conditions are applied to the present problem, and the viscous effects on the submarine are modeled by Morison's formulas. The motions of submarine sections in beam sea are directly simulated and the effects of wave frequency, snorkel depth, and bridge are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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