In the present study, a numerical analysis on the sloshing in a tank with the harmonic motion was investigated. A VOF method was used for two-phase flows inside the sloshing tank and a source term of the momentum equation was applied for the harmonic motion. This numerical method was verified by comparing its results with the available experimental data. The sloshing in a tank causes the instability of the fluid flows and the fluctuation of the impact pressure on the tank. By these phenomena of the tank sloshing, the sloshing problems such as the failure and the noise of system can be generated. For the reduction of these sloshing problems, the various baffles such as the horizontal/vertical plate baffles and the porous baffles inside the tank are installed. With the installations of these baffles, the characteristics of the liquid behavior in the sloshing tank, the impact pressure on the wall, the amplitude of the free surface near the wall and the sloshing noise were numerically analyzed.
Based on the fully nonlinear velocity potential theory, the liquid sloshing in a three dimensional tank under random excitation is studied. 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 scheme, B-spline curve, is applied to both the longitudinal and transverse directions of the tank to eliminate the possible saw-tooth instabilities. When the tank is undergoing one dimensional regular motion of small amplitude, the calculated results are found to be in very good agreement with linear analytical solution. In the simulation, the normal standing waves, travelling waves and bores are observed. The extensive calculation has been made for the tank undergoing specified random oscillation. The nonlinear effect of random sloshing wave is studied and the effect of peak frequency used for the generation of random oscillation is investigated. It is found that, even as the peak value of spectrum for oscillation becomes smaller, the maximum wave elevation on the side wall becomes bigger when the peak frequency is closer to the natural frequency.
In ocean industry, free surface type ART (Anti Roll tank) system has been widely used to suppress the roll motion of floating structures. In those, various obstacles have been devised to obtain the sufficient damping and to enhance the controllability of freely rushing water inside the tank. Most of previous researches have paid on the development of simple mathematical formula for coupled ship-ARTs analysis although other numerical and experimental approaches exist. Little attention has been focused on the use of 3D panel method for preliminary design of free surface type ART despite its advantages in computational time and general capacity for hydrodynamic damping estimation. This study aims at developing a potential theory based hydrodynamic code for the analysis of floating structure with baffled ARTs. The sloshing in baffled tanks is modeled through the linear potential theory with FE discretization and it coupled with hydrodynamic equations of floating structures discretized by BEM and FEM, resulting in direct coupled FE-BE formulation. The general capacity of proposed formulation is emphasized through the coupled hydrodynamic analysis of floating structure and sloshing inside baffled ARTs. In addition, the numerical methods for natural sloshing frequency tuning and estimation of hydrodynamic damping ratio of liquid sloshing in baffled tanks undergoing wave exiting loads are developed through the proposed formulation. In numerical examples, effects of natural frequency tuning and baffle ratios on the maximum and significant roll motions are investigated.
The performance of a porous swash bulkhead for the reduction of the resonant liquid motion in a swaying rectangular tank was investigated based on the assumption of linear potential theory. The Galerkin method (Porter and Evans, 1995) was used to solve the potential flow model by adding a viscous frictional damping term to the free-surface condition. By comparing the experimental results and the analytical solutions, we verified that the frictional damping coefficient was 0.4. Darcy's law was used to consider the energy dissipation at a porous bulkhead. The tool that was developed with a built-in frictional damping coefficient of 0.4 was confirmed by small-scale experiments. Using this tool, the free-surface elevation, hydrodynamic force (added mass, damping coefficient) on a wall, and the horizontal load on a bulkhead were assessed for various combinations of porosity and submergence depth. It was found that the vertical porous bulkhead can suppress sloshing motions significantly when properly designed and by selecting the appropriate porosity(${\approx}0.1$) and submergence depth.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.10
s.253
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pp.1003-1011
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2006
Droplets are ejected onto a substrate through a nozzle by pushing liquids in flow channels of drop-on-demand devices. The behavior of ejection and formation of droplets is investigated to enhance the physical understanding of the hydrodynamics involved in inkjet printing. The free surface phenomenon of a droplet is described using $CFD-ACE^{TM}$ which employs the volume-of-fluid (VOF) method with the piecewise linear interface construction (PLIC). Droplet formation characteristics are analyzed in various flow regimes with different Ohnesorge numbers. The computational results show that the droplet formations are strongly dependent on the physical properties of working fluids and the inlet flow conditions. In addition, the wetting characteristics of working fluids on a nozzle influence the volume and velocity of a droplet produced in the device. This study may provide an insight into how a liquid droplet is formed and ejected in a piezoelectric inkjet printing device.
Ambient drying sol-gel processing was used for monolithic silica ambigels in the temperature range of $130-250^{\circ}C$. A new method of mesopore ambigels, which mean the aerogels prepared by ambient pressure drying process synthesis, is suggested at first. This method includes two important approaches. The first point is that $SiO_{2}$ surface modification of wet gel was performed by trimethylchlorosilane in n-butanol solution. This procedure is provided the silica gel mesopore structure formation. The second point is a creation of the ternary azeotropic mixture water/n-butanol/octane as porous liquid, which is effectively provided removing of water such a low temperature by 2 step drying condition under ambient pressure. The silica aerogels, which were prepared by ambient pressure drying from azeotropic mixture of water/n-butanol/octane, are transparent, crack-free and mesoporous (pore size ${\sim}$ 5.6 nm) with surface area of ${\sim}$$923{\;}m^2/g$, bulk density of $0.4{\;}g/cm^3$ and porosity of 85 %.
Finite difference method using not general SSG (standard staggered grid) but RSG (rotated staggered grid) was applied to simulation of elastic wave propagation. Special free surface boundary condition such as imaging method is needed in finite difference method using SSG in elastic wave propagation. But free surface boundary condition in finite difference method using RSG is easily solved with adding air layer or vacuum layer. Recently PML (Perfectly Matched layer) is widely used to eliminate artificial reflection waves from finite boundary because of its' greate efficiency. Absorbing ability of CPML (convolutional Perfectly Matched Layer) that is more efficient than that of PML and CPML that don't use splitting of wave equation that should be adapted to PML was applied to FDM using RSG in this study. Frequency absorbing characteristic and energy absorbing ability in CPML layer were investigated and CPML eliminated artificial boundary waves very effectively in FDM using RSG in being compared with that of Cerjan's absorbing method. CPML method also diminished amplitude of waves in boundary layer of solid-liquid model very well.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.12
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pp.1667-1672
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2003
In contrast to the high demand for MEMS devices, microflow analysis is not feasible even for single-phase flow with conventional Navier-Stokes equation because of non-continuum effect when characteristic dimension is comparable with local mean free path. DSMC is one of particle based DNS(Direct Numerical Simulation) methods that uses no continuum assumption. In this paper, gas flow in microchannel is studied using DSMC. Interfacial shear and flow characteristics are observed and compared with the results of gas flow that is in contact with liquid case and solid wall case. The simulation is limited to the case of equilibrium steady state and evaporation/condensation coefficient is assumed to be the same and unity. System temperature remains constant and the interfacial shear appears to be small compared to the result with solid wall. This is because particles evaporated and reflected from the liquid surface form high density layer near the interface with liquid flow.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.1
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pp.142-155
/
1992
Numerical analysis is performed for the unsteady axisymmetric two dimensional phase change problem of freezing of water around a vertical tube. Heat conduction in the tube wall and solid phase, natural convection in liquid phase and volume expansion caused by density difference between solid and liquid phases are included in the numerical analysis. Existing correlation is used for estimating density-temperature relation of water, and the effect of volume expansion is reflected as fluid velocity at the interface and the free surface. As pure water has maximum density at 4.deg. C, it is found that there exists an initial temperature at which the flow direction reverses near the interface and by this effect the slope of interface becomes reversed depending on the initial temperature of water. By considering natural convection and solid-liquid density difference in the calculation, their effects on phase change process are studied and the effects of various parameters are also studied quantitatively.
It is reported that semi-solid forming process takes many advantages over the conventional forming process, such as a long die life, good mechanical properties and energy saves. It is important to predict the deformation behavior for optimization of the forging process with semi-solid materials and to control liquid segregation for mechanical properties of materials. But rheology material has thixotropic, pseudo-plastic and shear-thinning characteristics. So, it is difficult for a numerical simulation of the rheology process to be performed because complicated processes such as the filling to include the state of the free surface and solidification in the phase transformation must be considered. General plastic or fluid dynamic analysis is not suitable for the analysis of the rheology material behavior. Recently, molecular dynamics is used for the behavior analysis of the rheology material and turned out to be suitable among several methods. In this study, molecular dynamics simulation was performed for the control of liquid segregation, forming velocity, and viscosity in compression experiment as a part of study on the analysis of rheology forming process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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