Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.51
no.4
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pp.328-333
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2014
A hybrid particle-mesh method based on the vorticity-velocity formulation for solving the incompressible Navier-Stokes equations is a combination of the Vortex-In-Cell(VIC) method for convection and the penalization method for diffusion. The key feature of the numerical methods is to determine velocity and vorticity fields around a solid body on a temporary grid, and then the time evolution of the flow is computed by tracing the convection of each vortex element using the Lagrangian approach. Assuming that the vorticity and velocity fields are to be computed in time domain analysis, pressure fields are estimated through a complete set of solutions at present time step. It is possible to obtain vorticity and velocity fields prior to any pressure calculation since the pressure term is eliminated in the vorticity-velocity formulation. Therefore, pressure field is explicitly treated by solving a suitable Poisson equation. In this paper, we propose a simple way to numerically implement the vorticity-velocity-pressure formulation including a penalty term. For validation of the proposed numerical scheme, we illustrate the early development of viscous flows around an impulsive started circular cylinder for Reynolds number of 9500.
Park, Sun-Ho;Seo, Jeong-Hwa;Kim, Dong-Hwan;Rhee, Shin-Hyung;Kim, Ki-Sup
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.6
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pp.501-508
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2011
In order to control the tip vortex cavitation occurring around the tip of a rotating propeller blade, researches on the propeller cavitation and blade tip vortex flows have been increased. In this paper, the propeller tip vortex flow for a blunt and sharp tips was studied using an unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations solver based on a cell-centered finite volume method. In numerical open water test, torques, thrusts, pressure distributions and vortex flows were compared for various rotating speeds. To consider a hull wake, the nominal wake was specified in inlet boundary condition. Pressure distributions and vortex flows with the hull wake were investigated for various propeller rotating angles. From the results, it was confirmed that the blunt tip propeller delayed the tip vortex flow.
A two-dimensional numerical method for inviscid two-fluid flows with evolution of density interface is developed, and an initially stationary two-dimensional fluid sheet surrounded by another fluid is studied. The Interface between two fluids is modeled as a vertex sheet, and the flow field u÷th the evolution of interface is solved by using vortex-in-cell/front-tracking method. The edge of the sheet Is pulled back into the sheet due to surface tension and a blob is formed at the edge. This blob and fluid sheet are connected by a thin neck. In the inviscid limit, such process of the blob and neck formation is examined in detail and their kinematic characteristics are summarized with dimensionless parameters. The edge recedes at $V=1.06({\sigma}/{\rho}h)^{0.5}$ and the capillary wave Propagating into the fluid sheet must be considered for bettor understanding of the edge receding.
A penalized VIC method offers an efficient hybrid particle-mesh algorithm to simulate an incompressible viscous flow passing a solid body in an infinite domain. In this manner, the computational domain needs to be restricted to a relatively small region to reduce computational cost which would be very high in case of using a large domain. In this paper, we present how to dispose of far-field particles to avoid an unnecessarily large computational domain. The present approach constraints expansion of the domain and thus prevents the incremental computational cost. To validate the numerical approach, a flow around an impulsively started sphere was simulated for Reynolds numbers of 100 and 1000.
VIC (Vortex-In-Cell) method for viscous incompressible flow is presented to simulate the wake behind a modified NACA16 foil. With uniform rectangular grid, the velocity in field is calculated using streamfunction from vorticity field by solving the Poisson equation in which FFT(Fast Fourier Transform) is combined with 2nd order finite difference scheme. Here, LES(Large Eddy Simulation) with Smagorinsky model is applied for turbulence calculation. Effective viscosity is formulated using magnitude of strain tensor(or vorticity). Then the turbulent diffusion as well as viscous diffusion becomes particle strength exchange(PSE) with averaged eddy viscosity. The well-established panel method is combined to obtain the irrotational velocity and to apply the no-penetration boundary condition on the body panel. And wall diffusion is used for no-slip condition numerical results of turbulent stresses are compared with experimental results (Bourgoyne, 2003). Before comparing process, LES(Large Eddy Simulation) SGS(Subgrid scale) stress is transformed Reynolds averaged stress (Winckelmans, 2001).
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.10
no.2
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pp.107-111
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2007
A two-dimensional numerical method for inviscid two-fluid flows with evolution of density interface is developed, and an initially stationary two-dimensional fluid sheet surrounded by another fluid is studied. The interface between two fluids is modeled as a vortex sheet, and the flow field with the evolution of interface is solved by using vortex-in-cell/front-tracking method. The edge of the sheet is pulled back into the sheet due to surface tension and a blob is formed at the edge. This blob and fluid sheet are connected by a thin neck. In the inviscid limit, such process of the blob and neck formation is examined in detail and their kinematic characteristics are summarized with dimensionless parameters. The edge recedes at and the capillary wave propagating into the fluid sheet must be considered for better understanding of the edge receding.
We propose an efficient method to express water spray effects by adaptively modeling air particles in particle-based water simulation. In real world, water and air continuously interacts with each other around free surfaces and this phenomenon is commonly observed in waterfall or sea with rough waves. Due to thin spray water, the interfaces between water and air become vague and the interactions between them lead to heavy vortex phenomenon. To express this phenomenon, we propose methods of 1) generating adaptive air cell in particle-based water simulation, 2) expressing water spray effects by creating and evolving air particles in the adaptive air cells, and 3) guaranteeing robustness of simulation by solving drifting problem occurred when adjacent air particles are insufficient. Experiments convincingly demonstrate that the proposed approach is efficient and easy to use while delivering high-quality results.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.2
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pp.206-218
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2014
The wave attenuation by floating breakwaters in high amplitude waves, which can lead to wave overtopping and breaking, is examined by numerical simulations. The governing equations, the Navier-Stokes equations and the continuity equation, are calculated in a fixed Cartesian grid system. The body boundaries are defined by the line segment connecting the points where the grid line and body surface meet. No-slip and divergence free conditions are satisfied at the body boundary cell. The nonlinear waves near the moving body is defined using the modified marker-density method. To verify the present numerical method, vortex induced vibration on an elastically mounted cylinder and free roll decay are numerically simulated and the results are compared with those reported in the literature. Using the present numerical method, the wave attenuations by three kinds of floating breakwaters are simulated numerically in a regular wave to compare the performance.
In order to reduce the excessive numerical dissipation, the new spatial discretization scheme is introduced. The present method in this paper has the formula that has an additional procedure of defining transferred properties at a cell-interface, based on AUSMPW+. The newly defined transferred property could eliminate numerical dissipation effectively in non-flow aligned grid system. In addition, the present method guarantees the monotonic characteristic in capturing a discontinuity. Through a stationary or moving contact discontinuity and a stationary or moving shock discontinuity, a vortex discontinuity and shock wave/ boundary layer interaction, it is verified that the accuracy of the present method is improved.
A hybrid particle-mesh method as the combination between the Vortex-In-Cell (VIC) method and penalization method has been achieved in recent years. The VIC method, which is based on the vorticity-velocity formulation, offers particle-mesh algorithms to numerically simulate flows past a solid body. The penalization method is used to enforce boundary conditions at a body surface with a decoupling between body boundaries and computational grids. The main advantage of the hybrid particle-mesh method is an efficient implementation for solid boundaries of arbitrary complexity on Cartesian grids. However, a numerical simulation of flows in large domains is still not too easy. In this study, a multi-domain approach is thus proposed to further reduce computation cost and easily implement it. We validate the implementation by numerical simulations of an incompressible viscous flow around an impulsively started circular cylinder.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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