This paper presents the results of experimental and numerical research on the slamming phenomenon. Two experimental techniques were proposed in this study. The traditional free drop tests were carried out. However, the free drop tests done in this study using an LM guide showed excellent repeatability, unlike those of other researchers. The coefficients of variation for the drop test done in this experiment were less than 0.1. The other experimental technique proposed in this study was a novel concept that used a pneumatic cylinder. The pneumatic cylinder could accelerate the specimen over a very short distance from the free surface. As a result, high rates of repeatability were achieved. In the numerical study, the development of in-house code and utilization of commercial code were carried out. The in-house code developed was based on the boundary element method. It is a potential code. This was mostly applied to the computation of the wedge entry problem. The commercial code utilized was FLUENT. Most of the previous slamming research was done under the assumption of a constant body velocity all through the impact process, which is not realistic at all. However, the interaction of a fluid and body were taken into account by employing a user-defined function in this study. The experimental and numerical results were compared. The in-house code based on BEM showed better agreement than that of the FLUENT computation when it cames to the wedge computation. However, the FLUENT proved that it could deal with a very complex geometry while BEM could not. The proposed experimental and numerical procedures were shown to be very promising tools for dealing with slamming problems.
The paper aims at illustrating several key issues and ongoing efforts for development of a reliable fully-Lagrangian particle-based solver for simulation of hydroelastic slamming. Fluid model is founded on the solution of Navier-Stokes along with continuity equations via an enhanced version of a projection-based particle method, namely, Moving Particle Semi-implicit (MPS) method. The fluid model is carefully coupled with a structure model on the basis of conservation of linear and angular momenta for an elastic solid. The developed coupled FSI (Fluid-Structure Interaction) solver is applied to simulations of high velocity impact of an elastic aluminum wedge and hydroelastic slammings of marine panels. Validations are made both qualitatively and quantitatively in terms of reproduced pressure as well as structure deformation. Several remaining challenges as well as important key issues are highlighted. At last, a recently developed multi-scale MPS method is incorporated in the developed FSI solver towards enhancement of its adaptivity.
In rough seas, bow-flare regions of the sea-going ships are subject to high impact pressures due to the bow-flare slamming and panting. And many ships suffer structural damages in that region, even though they were built under the bow structure strengthening rules of the ship classes. So, a new design method for bow-flare structure is highly required. In this paper, bow-flare damage analysis is performed for 17 ships (total number of damage/non-damage data is 782). Based on this analysis, a new design standard and method for bow-flare structure (shell plate, frame and web frame) is proposed. 80.4% of the present damage/non-damage data were well-explained by this new design standard.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제9권4호
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pp.390-403
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2017
Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) method has a good adaptability for the simulation of free surface flow problems. There are two forms of SPH. One is weak compressible SPH and the other one is incompressible SPH (ISPH). Compared with the former one, ISPH method performs better in many cases. ISPH based on Rankine source solution can perform better than traditional ISPH, as it can use larger stepping length by avoiding the second order derivative in pressure Poisson equation. However, ISPH_R method needs to solve the sparse linear matrix for pressure Poisson equation, which is one of the most expensive parts during one time stepping calculation. Iterative methods are normally used for solving Poisson equation with large particle numbers. However, there are many iterative methods available and the question for using which one is still open. In this paper, three iterative methods, CGS, Bi-CGstab and GMRES are compared, which are suitable and typical for large unsymmetrical sparse matrix solutions. According to the numerical tests on different cases, still water test, dam breaking, violent tank sloshing, solitary wave slamming, the GMRES method is more efficient than CGS and Bi-CGstab for ISPH method.
This study presents an experimental investigation of the shallow water impact of a box type structure. The analysis was done based on the video images captured by a high speed camera, the flow field obtained by PIV (Particle Image Velocimetry), and pressure measurements in the divided region. The video images showed quite good agreement with the description given by Korobkin. The PIV measurements of the velocity field provided a clear view of the flow pattern for all three stages. The pressure was measured at the bottom of the tank with strain gauge type pressure gauges. The pressure measurements showed the characteristics of divided regions.
본 연구는 유한한 크기의 선저경사각을 갖는 2차원 쐐기형 구조물의 슬래밍 충격 현상을 수치 해석하였다. 비압축성 유체를 가정하였으며, 구조물의 입수 속도는 일정하게 유지하였다. 자유수면의 대 변형 및 동적 거동의 해석을 위해서 Geo-reconstruct(or PLIC-VOF) scheme을 사용하였다. 선저경사각이 $10^{\circ}$, $20^{\circ}$ 및 $30^{\circ}$인 경우에 대해서 해석을 수행하였으며, 각각의 선저경사각에 대하여 입수면의 격자 크기 및 입수 속도를 변화시켜 슬래밍 충격력 수치 해석 결과에 미치는 영향을 조사하였다. 수치해석 결과는 Dobrovol'skaya(1969)의 상사해(similarity solution), Wagner 방법에 기초한 점근해(asymptotic solution) 및 경계요소법(Zhao et al.(1993))에 의한 해석 결과와 비교하였다.
This paper is about the bow structure design of the ship-typed and turret moored FPSO which is subjected to the bow-flare slamming load in harsh North Sea environments. Quad 204 FPSO project involves the redevelopment of the existing Schiehallion FPSO which is damaged by impact wave loads. Normally all offshore systems including FPSO are designed to withstand the 100 year storm I.e. the storm that happens once every hundred years at the location where the system is installed. Several incidents have revealed that impact loading is important issue for moored floating production systems. In this paper, the design impact loads are estimated considering the ship owner’s specification, measured data from model tests, requirements of the classification society rules and results of numerical simulation analyses. The impact pressure by numerical analysis is 1.8 times greater than required value by CSR adopted by IACS. Based on the selected design load, plastic design formulae allowing the local material yielding are applied for the initial scantling of the bow structure. To verify the structural integrity, FE analyses are carried out considering the local area subjected to the impact wave loads. Their results such as structural arrangement, design loads and scantlings are shown and discussed. It is found that plastic design formulae in adopting Initial design phase give sufficiently conservative results in terms of structural strength.
In this paper, the authors investigate theoretically the motion and longitudinal strength of ships among waves talking account of the effects of nonlinearities such as the hull shape, bottom emergence, and hydrodynamic impact. Incidentally the ship is treated as an elastic beam in heading wave condition regarding characteristics of slamming and whipping-according to the variation in the range of a quarter length of the ship forward and the increase of the elastic modes up to 4-th vibration mode were investigated by the present theory. Calculations are performed for 97m container ship and its validity is confirmed by a series of model tests. Conclusions obtained are as follows; 1) Acceleration and pressure estimated by the present theory are in good accordance with experiments. 2) The present non-linear theory may be applied for estimating longitudinal bending moment of ships in slamming and whipping conditions. 3) In investigation of the characteristic in response according to shape variation for parts under draft and vow-flare in the range of a quarter length of the ship forward, dynamic responses due to the former were much more conspicuous than those due to the later. 4) In the maximum bending moment, the considering case up to 2-the mode are larger, about $10{\sim}15%$, than that up to 4-th mode.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제6권4호
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pp.1182-1196
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2014
In problems of global hydroelastic ship response in severe seas including the whipping problem, we need to know the hydrodynamic forces acting on the ship hull during almost arbitrary ship motions. In terms of ship sections, some of them can enter water but others exit from water. Computations of nonlinear free surface flows, pressure distributions and hydrodynamic forces in parallel with the computations of the ship motions including elastic vibrations of the ship hull are time consuming and are suitable only for research purposes but not for practical calculations. In this paper, it is shown that the slamming forces can be decomposed in two components within three semi-analytical models of water entry. Only heave motion is considered. The first component is proportional to the entry speed squared and the second one to the body acceleration. The coefficients in these two components are functions of the penetration depth only and can be precomputed for given shape of the body. During the exit stage the hydrodynamic force is proportional to the acceleration of the body and independent of the body shape for bodies with small deadrise angles.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권1호
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pp.530-541
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2019
To improve our current understanding of tsunami-like solitary waves interacting with a row of vertical slotted piles on a sloping beach, a 3D numerical wave tank based on the CFD tool $OpenFOAM^{(R)}$ was developed in this study. The Navier-Stokes equations were employed to solve the two-phase incompressible flow, combining with an improved VOF method to track the free surface and a LES model to resolve the turbulence. The numerical model was firstly validated by our laboratory measurements of wave, flow and dynamic pressure around both a row of piles and a single pile on a slope subjected to solitary waves. Subsequently, a series of numerical experiments were conducted to analyze the breaking wave force in view of varying incident wave heights, offshore water depths, spaces between adjacent piles and beach slopes. Finally, a slamming coefficient was discussed to account for the breaking wave force impacting on the piles.
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