A modification of the approximate-factorization method is made to accelerate the convergency rate and to take sufficiently large Courant number without loss of accuracy. And a stable implicit finite-difference scheme for solving the incompressible Navier-Stokes equations employed above modified method is developed. In the present implicit scheme, the volume fluxes with contravariant velocity components and the pressure formulation in curvilinear coordinates is adopted. In order to satisfy the continuity condition completely and to remove spurious errors for the pressure, the Navier-Stokes equations are solved by a modified SMAC scheme using a staggered gird. The upstream-difference scheme such as the QUICK scheme is also employed to the right hand side. The implicit scheme is unconditionally stable and satisfies a diagonally dominant condition for scalar diagonal linear systems of implicit operator on the left hand side. Numerical results for some test calculations of the two-dimensional flow in a square cavity and over a backward-facing step are obtained using both usual approximate-factorization method and the modified one, and compared with each other. It is shown that the present scheme allows a sufficiently large Courant number of O(10$^{2}$) and reduces the computing time.
Ha Man-Yeong;Kim Cheol-Hwan;Jung Yong-Won;Heo Seong-Geun
Journal of Mechanical Science and Technology
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제20권6호
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pp.840-848
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2006
We carried out numerical studies to investigate the single- and two-phase flow characteristics in the single- and multi-channels. We used the finite volume method to solve the mass and momentum conservation equations. The volume of fluid model is used to predict the two-phase flow in the channel. We obtained the distribution of velocity fields, pressure drop and air volume fraction for different water mass flow rates. We also calculated the distribution of mass flow rates in the multi-channels to understand how the flow is distributed in the channels. The calculated results for the single- and two-phase flow are partly compared with the present experimental data both qualitatively and quantitatively, showing relatively good agreement between them. The numerical scheme used in this study predicts well the characteristics of single-and two-phase flow in a multi-channel.
The laminated composite materials have been applied to various mechanical structures due to their high performance to weight ratios. In this study, we suggest a stochastic finite element scheme for the probabilistic analysis of the composite laminated plates. The composite materials consist of two different materials which constitute the matrix and fiber. The material properties in the major and minor directions are determined depending on the volume fraction of these two materials. In this study, the elastic modulus and shear modulus are considered as random and the effect of these random properties on the behavior of the composite plate is investigated. We adopt the weighted integral scheme in the formulation, which has been recognized as the most accurate method in the statistical methodologies. For verification of the proposed scheme, Monte Carlo analysis is also performed for the comparison with the proposed scheme.
Three-dimensional cavity flow is analyzed with the code by using unstructured grid. Incompressible Navier-Stokes equations are used as governing equations, and governing equations are discretized by Finite Volume Method. Artificial compressibility method, proposed by Chorin, and developed by Soh, is used for coupling a pressure and a velocity. Cell-centered scheme is adopted in the code, this has the effect of having denser grid than nodal scheme when the same grid is used. Weighted Averaging scheme is used for the value at a nodal point. Cavity flow is analyzed, and this computed results are compared with the results in the research report
An implicit viscous turbulent flow solver is developed for two-dimensional geometries on unstructured triangular meshes. The flux terms are discretized based on a cell-centered finite-volume formulation with the Roe's flux-difference splitting. The solution is advanced in time using an implicit backward-Euler time-stepping scheme. At each time step, the linear system of equations is approximately solved with the Gauss-Seidel relaxation scheme. The effect of turbulence effects is approximated with a standard $k-{\varepsilon}$ two-equation model which is solved separately from the mean flow equations using the same backward-Euler time integration scheme. The triangular meshes are generated using an advancing-front/layer technique. Validations are made for flows over the NACA0012 airfoil and the Douglas 3-element airfoil. Good agreements are obtained between the numerical results and the experiment.
In this study, the compressibility of resin was considered in filling analysis to account for the possible packing type flow. A numerical simulation program employing a hybrid finite element/finite difference scheme was developed to solve Hele-Shaw flow of the compressible viscous fluid at non-isothermal conditions. To advance the melt front, a control volume approach was adopted. Thin complex 3-D shapes of cavities, runners, and sprues were discretized by employing triangular, cylindrical and/or rectangular strip elements. Mass conservation was applied to each control volume to solve for the pressure distribution. Directly applying a constant mass flow rate at the inlet removes calculation of the apparent pressure boundary conditions, resulting in better simulation condition. The Cross model was used to model viscosity and the Tait equation was employed to represent density as a function of temperature and pressure. The validity of the developed program was verified through comparisons with available data in the literature and the effect of compressibility on the pressure distribution was discussed. To reduce computation time, 1-D and 2-D elements were used instead of applying triangular elements and the numerical results were compared to each other.
This paper addresses a numerical method for predicting transient temperature distributions in the wall of a curved pipe subjected to internally thermal stratification flow. A simple and convenient numerical method of treating the unsteady conjugate heat transfer in the non-orthogonal coordinate systems is presented. The proposed method is implemented in a finite volume thermal-hydraulic computer code based on a cell-centered, non-staggered grid arrangement, the SIMPLEC algorithm, a higher-order bounded convection scheme, and the modified version of momentum interpolation method. Calculations are performed for the transient evolution of thermal stratification in two curved pipes, where the one has thick wall and the other has so thin wall that its presence can be negligible in the heat transfer analysis. The predicted results show that the thermally stratified flow and transient conjugate heat transfer in a curved pipe with a finite wall thickness can be satisfactorily analyzed by the present numerical method, and that the neglect of wall thickness in the prediction of pipe wall temperature distributions can provide unacceptably distorted results.
In this paper, three-dimensional free-surface flows are simulated by using two different numerical methods, the constrained interpolation profile (CIP)-based and finite volume (FV)-based methods. In the CIP-based method, the governing equations are solved on stationary staggered Cartesian grids by a finite difference method, and an immersed boundary technique is applied to deal with wave-body interactions. In the FV-based method, the governing equations are solved by applying collocated finite volume discretization, and body-fitted meshes are used. A free-surface boundary is considered as the interface of the multi-phase flow with air and water, and a volumeof-fluid (VOF) approach is applied to trace the free surface. Among many variations of the VOF-type method, the tangent of hyperbola for interface capturing (THINC) and the compressive interface capturing scheme for arbitrary meshes (CICSAM) techniques are used in the CIP-based method and FV-based method, respectively. Numerical simulations have been carried out for dam-breaking and wave-body interaction problems. The computational results of the two methods are compared with experimental data and their differences are observed.
The present study covers an integrated simulation method to evaluate optical performance of an aspheric plastic lens by connecting a finite element (FE) analysis of injection molding with a ray tracing simulation. Traditional ray tracing methods have based on the assumption that the optical properties of a lens are homogeneous throughout the entire volume. This assumption is to a certain extent unrealistic for injection-molded plastic lenses because material properties vary at every point due to the injection molding effects. To take into account the effects of the inhomogeneous optical properties of the molded lens, a new.ay tracing scheme is proposed in conjunction with a FE analysis of the injection molding. A numerical scheme is developed to calculate ray paths on every element layer with more realistic information of the refractive indices which can be obtained through the FE analysis. This information is then used to calculate the ray paths based on the FE mesh of which nodal points have unique index values. The proposed tracing scheme is implemented on the tracing of an aspheric lens, and its validity is ascertained through experimental verification.
The Rayleigh-Taylor instability, the bubble rising in both partially and fully filled containers and the droplet splash are simulated by an in-house solution code(PowerCFD), which are typical benchmark problems among multiphase flows with material interface due to density difference. The present method(code) employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with interface capturing method(CICSAM) in a volume of fluid(VOF) scheme for phase interface capturing. The present results are compared with other numerical solutions found in the literature. It is found that the present method simulates efficiently and accurately complex free surface flows such as multiphase flows with material interface due to both density difference and instability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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