Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.11
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pp.1467-1475
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2001
In the present paper, approximate coordinate transformations for simulation of turbulent flows with active wall motions, leading to a significant reduction in the computational cost while maintaining the numerical accuracy, are presented: the Navier-Stokes equations are coordinate-transformed with an approximation of Taylor-series truncation and neglect of some less-significant terms. The performance of the proposed transformations is evaluated in simulation of the channel flow at Re$\sub$$\tau$/=140 with wall deformations of │η$\sub$m/$\^$+/ 5. The approximate transformations provide flow structures as wall as turbulence statistics in good agreement with those from a complete coordinate transformation [Phys. Fluids 12, 3301 (2000)] and allow 25-30% savings in the CPU time as compared to the complete one.
Under the era of energy crisis, hydrogen energy is considered as one of the most potential alternative energies. Liquid hydrogen has much higher energy density per unit volume than gas hydrogen and is counted as the excellent energy storage method. In this study, Navier-Stokes equations based on 2-phase model were solved by using a computational fluid dynamics program and the liquefaction process of gaseous hydrogen passing through a cryogenic cooling tube was analyzed. The copper with high thermal conductivity was assumed as the material for cryogenic cooling tube. For different inlet velocities of 5 m/s, 10 m/s and 20 m/s for hydrogen gas, the distributions of fluid temperature, axial and radial velocities, and volume fractions of gas and liquid hydrogens were compared. These research results are expected to be used as basic data for the future design and fabrication of cryogenic cooling tube to transform the hydrogen gas into liquid hydrogen.
Lee, Kwang Ho;Kim, Chang Hoon;Kim, Do Sam;Hwang, Young Tae
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.5B
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pp.473-482
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2009
This study numerically discusses wave forces acting on a vertical wall such as breakwaters or revetments, subjected to incident undular or turbulent bores. Due to the complex hydrodynamics of bore, its wave forces have been predicted, mainly through laboratory experiments. Numerical simulations in this paper were carried out by CADMAS-SURF(CDIT, 2001), which is based on Navier-Stokes momentum equations and VOF method (Hirt and Nichols, 1981) for tracking free water surface. Its original source code was also partly revised to generate bore in the numerical water channel. Numerical raw data computed by CADMAS-SURF included great strong spike phenomena that show the abrupt jumps of wave loads. To resolve this undesired noise of raw data, the band-pass filter with the frequency of 5Hz was utilized. The filtered results showed reasonable agreements with the experimental results performed by Matsutomi (1991) and Ramsden (1996). It was confirmed that CADMASSURF can be applied to the design of coastal structures against tsunami bores. In addition, the transformation process and propagation speed of bores in the same 2-d water channel were discussed by the variations of water level for time and space. The numerical results indicated that the propagation speed of bore was changed due to the nonlinear interactions between negative and reflected waves.
Steady and unsteady flows between rotating cylinders are of interest on lubrication, convective heat transfer and flow-induced vibration in large rotating machinery. Steady rotating flow is generated by rotating cylinder with constant velocity while the unsteady rotating flow by oscillating cylinder with homogeneoysly oscillating velocity. An analytical method is developed based on the simple radial coordinate transformation for the steady and unsteady rotating flows in concentric annulus. The governing equations are simplified from Navier-Stokes equatins. Considering the skin friction based on the radial variation of circumferential flow velocity, the torques acting on the fixed and the rotating cylinder are evaluated in terms of added-inertia and added-damping torque coefficients. The coefficients are found to be influenced by the oscillatory Reynolds number and the radius ratio of two cylinders; however, the effect of the oscillatory Reynolds number on the coefficients is minor in case of relatively low radius ratio.
In the present paper, approximate coordinate transformations for simulation of turbulent flows with wall deformation, significantly reducing computational cost with little degradation in numerical accuracy, are presented. The Wavier-Stokes equations are coordinate-transformed with an approximation of Tailor-series truncation. The performance is evaluated by performing numerical simulations of a channel flow at Re$\sub$$\tau$/ = 140 with active wall motions of η$\sub$m/$\^$+/ $\leq$5. The approximate transformations provide flow structures as well as turbulence statistics in good agreement with those from a complete transformation [Phys. Fluids 12, 3301 (2000) ] and allow 25-30% savings in the CPU time as compared to the complete one.
An analytical method for linear free vibration of fully liquid-filled circular cylindrical shell with various boundary conditions is developed by the Fourier series expansion based on the Stokes' transformation. A set of modal displacement functions and their derivatives of a circular cylindrical shell is substituted into the Sanders' shell equations in order to explicitily represent the Fourier coefficients as functions of the end point displacements, forces, and moments. For the vibration relevant to the liquid motion, the velocity potential of liquid is assumed as a sum of linear combination of suitable harmonic functions in the axial directions. The unknown parameter of the velocity potential is selected to satisfy the boundary condition along the wetted shell surface. An explicit expression of the natural frequency equation can be obtained for any kind of classical boundary conditions. The natural frequencies of the liquid-filled cylindrical shells with the clamped-free, the clamped-clamped, and the simply supported-simply supported boundary conditions examined in the previous works, are obtained by the analytical method. The results are compared with the previous works, and excellent agreement is found for the natural frequencies of the shells.
The present paper discusses the nonlinear wave deformation due to a submerged coastal structure. Theory is based on the frequency-domain method using the third order perturbation and boundary integral method. Theoretical development to the second order perturbation and boundary integral method. Theoretical development to the second order Stokes wave for a bottom-seated submerged breakwater to the sea floor is newly expanded to the third order for a submerged coastal structure shown in Figure 1. Validity is demonstrated by comparing numerical results with the experimental ones of a rectangular air chamber structure, which has the same dimensions as that of this study. Nonlinear waves become larger and larger with wave propagation above the crown of the structure, and are transmitted to the onshore side of the structure. These characteristics are shown greatly as the increment of Ursell number on the structure. The total water profile depends largely on the phase lag among the first, second and third order component waves.
Dynamical behaviors of one-dimensional (1D) nano-sized structures are of great importance in nanotechnology applications. Therefore, the torsional dynamic response of functionally graded nanorods which could be used to model the nano electromechanical systems or micro electromechanical systems with torsional motion about the center of twist is examined based on the theory of strain gradient nonlocal elasticity in this work. The mathematical background is constructed based on both strain gradient theory and Eringen's nonlocal elasticity theory. The equation of motions and boundary conditions of radially functionally graded nanorods are derived using Hamilton's principle and then transformed into the eigenvalue analysis by using Fourier sine series. A general coefficient matrix is obtained to assemble the Stokes' transformation. The case of a restrained functionally graded nanorod embedded in two elastic springs against torsional rotation is then deeply investigated. The effect of changing the functionally graded index, the stiffness of elastic boundary conditions, the length scale parameter and nonlocal parameter are investigated in detail.
An account of second-order fractional-step methods and boundary conditions for the incompressible Navier-Stokes equations is presented. The present work has aimed at (i) identification and analysis of all possible splitting methods of second-order splitting accuracy; and (ii) determination of consistent boundary conditions that yield second-order accurate solutions. It has been found that only three types (D, P and M) of splitting methods called the canonical methods are non-degenerate so that all other second-order splitting schemes are either degenerate or equivalent to them. Investigation of the properties of the canonical methods indicates that a method of type D is recommended for computations in which the zero divergence is preferred, while a method of type P is better suited to the cases when highly-accurate pressure is more desirable. The consistent boundary conditions on the tentative velocity and pressure have been determined by a procedure that consists of approximation of the split equations and the boundary limit of the result. The pressure boundary condition is independent of the type of fractional-step methods. The consistent boundary conditions on the tentative velocity were determined in terms of the natural boundary condition and derivatives of quantities available at the current timestep (to be evaluated by extrapolation). Second-order fractional-step methods that admit the zero pressure-gradient boundary condition have been derived. The boundary condition on the new tentative velocity becomes greatly simplified due to improved accuracy built in the transformation.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.23
no.3
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pp.248-257
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2011
In the present study, we proposed a new numerical wave tank model to analyze the vertical tension-leg circular floating bodies, using a 2-D Navier-Stokes solver. An IBM(Immersed Boundary Method) capable of handling interactions between waves and moving structures with complex geometry on a standard regular Cartesian grid system is coupled to the VOF(Volume of Fluid) method for tracking the free surface. Present numerical results for the motions of the floating body were compared with existing experimental data as well as numerical results based on FAVOR(Fractional Area Volume Obstacle Representation) algorithm. For detailed examinations of the present model, the additional hydraulic experiments for floating motions and free surface transformations were conducted. Further, the versatility of the proposed numerical model was verified via the numerical and physical experiments for the general rectangular floating bodies. Numerical results were compared with experiments and good agreement was archived.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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