Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.1
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pp.95-104
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2003
This paper deals with the analytic and FEM analyses of sloshing frequency response of incompressible, invicid and irrotational flow in two dimensional rectangular tank. We use Laplace equation based on potential theory as governing equation. For small amplitude sloshing motion, the linearized free surface condition was applied and the analytic solution as obtained by the separation of variables. To simulate the effect of the energy dissipation due to viscous damping, artificial viscous coefficient is introduced and the divergence of response at resonance frequencies may be avoided by this coefficient. This problem was solved by FEM using 9-node elements in order to predict the maximum amplitude of sloshing response. Numerical results of free surface height, fluid pressure and fluid force show good agreement with those by analytic solution. After verifying the test FEM program, we analyze the frequency response characteristics of sloshing to the fluid height.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.35
no.4
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pp.1-10
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1998
This paper presents a vorticity-based numerical method for analyzing an incompressible Newtonian viscous flow around an impulsively started cylinder. The Navier-Stockes equations have a natural Helmholtz decomposition. The vorticity transport equation and the pressure equation are derived from this decoupled form. The associated boundary conditions are dynamic for the vorticity and pressure variables representing the coupling relation between them and the force balance on the wall. The various numerical treatments for solving the governing equations are introduced. According to Wu et al.(1994), the boundary conditions are decoupled, keeping the dynamic relation between vorticity and pressure. The vorticity transport equation is formulated by FVM and TVD(Total Variation Diminishing) scheme is used for the convection term. An integral approach similar to the panel method is used to obtain the velocity field for a given vorticity field and the pressure field, instead of the conventional differential approaches. In the numerical process, the structured grid is generated. The results are compared to existing numerical and analytic results for the validity of the present method.
An analytical and numerical examination of second-order fractional-step methods and boundary condition for the incompressible Navier-Stokes equations is presented. In this study, the compatibility condition for pressure Poisson equation and its boundary conditions, stability, and numerical accuracy of canonical fractional-step methods has been investigated. It has been found that satisfaction of compatibility condition depends on tentative velocity and pressure boundary condition, and that the compatible boundary conditions for type D method and approximately compatible boundary conditions for type P method are proper for divergence-free velocity for type D and approximately divergence-free for type P method. Instability of canonical fractional-step methods is induced by approximation of implicit viscous term with explicit terms, and the stability criteria have been founded with simple model problems and numerical experiments of cavity flow and Taylor vortex flow. The numerical accuracy of canonical fractional-step methods with its consistent boundary conditions shows second-order accuracy except $D_{MM}$ condition, which make approximately first-order accuracy due to weak coupling of boundary conditions.
The numerical methodology for computing tile impact forces and water entry behaviors of high speed water entry bodies was been developed. Since the present method assumed the impact occurs within a very short time interval. the viscous effects do not have enough time to play a significant role in the impact forces, that is, the flow around a water-entry object was assumed as an incompressible potential flow and is solved by the source panel method. The elements fully submerged into the water are routinely treated, but the elements intersected by the effective planar free surface are redefined and reorganized to be amenable to the source panel method. To validate the present code, it was applied to disk, cone and ogive model and compared with experimental data. Good agreement was obtained. The water entry behavior such as the bouncing phenomena from the free surface was also simulated using the impact forces and two degree of freedom dynamic equation. Physically acceptable results were obtained.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.13
no.2
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pp.267-277
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1993
A finite element method(FEM) is presented and applied to the two-dimensional bottom turbulent boundary layer. The time-dependent incompressible motion of a viscous fluid is formulated by using the well-known Navier-Stokes equations and vorticity equation in terms of the velocity and pressure fields. The general numerical formulation is based on Galerkin method and solved by introducing the mixing length theory of Prandtl for eddy kinematic viscosity of a turbulent flow field. Numerical computations of the transport of sediment on an arbitrary sea-bed due to wave motion in the turbulent boundary layer are carried out. The results obtained by the FEM made clear the difference in characteristic features between the boundary layer due to oscillatory flow and the boundary layer due to wave motion.
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.
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.
A computer code has been developed for the computation of the viscous flow around a ship model with the free surface. In this code, the incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are solved numerically by a finite difference method which employes second-order finite differences for the spatial discretization and a four-stage Runge-Kutta scheme for the temporal integration of the governing equations. For the turbulence closure, a modified version of the Baldwin-Lomax model is exploited. The location of the free surface is determined by solving the equation of the kinematic free-surface condition using the Lax-Wendroff scheme and the boundary-fitted grid is generated at each time step so that one of the grid surfaces always coincides with the free surface. An inviscid approximation of the dynamic free-surface boundary condition is applied as the boundary conditions for the velocity and pressure on the free surface. To validate the computational method and the computer code developed in the present study, the numerical computations are carried out for both Wigley parabolic hull and Series 60 $C_B=0.6$ ship model and the computational results are compared with the experimental data.
This paper deals with the development of variable-node element and its application to the adaptive h-version mesh refinement-recovery for the incompressible viscous flow analysis. The element which has variable mid-side nodes can be used in generating the transition zone between the refined and unrefined element and efficiently used for the construction of a refined mesh without generating distorted elements. A modified Guassian quadrature is needed to evaluate the element matrices due to the discontinuity of derivatives of the shape functions used for the element. The penalty function method which can reduce the number of the independent variables is adopted for the purpose of computational efficiency and the selective reduced integration is carried out for the convection and pressure terms to preserve the stability of solution. For the economical analysis of transient problems in which the locations to be refined are changed in accordance with the dynamic distribution of velocity gradient, not only the mesh refinement but also the mesh recovery is needed. The numerical examples show that the optimal mesh for the finite element analysis of a wind around the structures can be obtained automatically by the proposed scheme.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.50
no.6
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pp.421-428
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2013
This study aims at numerically investigating the angle of attack characteristics of the rudder behind a rotating propeller. The rotating propeller of 5 blades and the full spade rudder are placed in the numerical water tunnel with a uniform flow condition to consider propeller-rudder interaction. The turbulence closure model is employed to simulate the three-dimensional unsteady incompressible viscous turbulent flow around the propeller and the rudder. The present numerical method are well verified by comparing with the experimental results. In order to identify the dependence of the angle of attack of the rudder on the rudder angle, a wide range of rudder angles is considered. The present study carried out the quantitative and qualitative analysis of the angle of attack in terms of the pressure distribution, streamlines and the evaluation of the flow incidence, resulting in that the angle of attack increases as we move from the root and the tip to the center of the rudder, regardless of the rudder angle. The distribution of the angle-of-attack along the span is strongly affected by rotating propeller flow and rudder angle. Consequently, the distribution of the angle-of-attack of the oncoming flow against the rudder leading edge plays a role in determination of rudder performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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