Kim Sang-Ho;Yannshiro Masaru;Yoshida Akinori;Hashimoto Noriaki;Lee Jong-Woo
Proceedings of the Korean Institute of Navigation and Port Research Conference
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2005.10a
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pp.153-159
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2005
Recently, various novel numerical models based on Navier-Stokes equation rave been developed for calculating wave motions in the sea with coastal or ocean structures. Among those models, Volume Of Fluid (VOF) method might be the most popular one, and it has been used for numerical simulations of wave motions including complicated phenomena of wave breakings. VOF method, however, needs enormous computation time and large computational storage memories in general, thus it is practically difficult to use VOF method for calculations in the case of random waves because long and stable computation ( e.g. for more than 100 significant wave periods) is required to obtain statistically meaningful results. On the other hand of the wave motion is potential motion, Boundary Element Method (BEM), which is a much faster and more accurate method than VOF method, am be effectively used. The aim of this study is to develop a new efficient model applicable to calculations of wave motion and/or wave-structure interactions under random waves. To achieve this, a strictly combined BEM-VOF model has been developed by making the best use of both methods' merits; VOF method is used in a restricted fluid domain around a structure where complicated phenomena of wave breakings may exist, and BEM is used in the other domains far from the disturbance where the wave motion may be assumed to be potential. The verification of the model was performed with numerical results for Stokes'5th order wave propagation and a random wave propagation.
To develop the efficient numerical optimization method for the design of an airfoil, an evaluation of various methods coupled with two-dimensional Naviev-Stokes analysis is presented. Simplex method and Hook-Jeeves method we used as direct search methods, and steepest descent method, conjugate gradient method and DFP method are used as indirect search methods and are tested to determine the search direction. To determine the moving distance, the golden section method and cubic interpolation method are tested. The finite volume method is used to discretize two-dimensional Navier-Stokes equations, and SIMPLEC algorithm is used for a velocity-pressure correction method. For the optimal design of two-dimensional airfoil, maximum thickness, maximum ordinate of camber line and chordwise position of maximum ordinate are chosen as design variables, and the ratio of drag coefficient to lift coefficient is selected as an objective function. From the results, it is found that conjugate gradient method and cubic interpolation method are the most efficient for the determination of search direction and the moving distance, respectively.
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 the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.33
no.12
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pp.1-8
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2005
A parametric study has been accomplished to figure out the effects of the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number on the lift and drag forces exerted on the elliptic cylinder. A two-dimensional incompressible Navier-Stokes flow solver is developed using SIMPLER method to analyze the unsteady viscous flow over elliptic cylinder. Thickness-to-chord ratios of 0.2, 0.4, and 0.6 elliptic cylinders are simulated at different Reynolds numbers of 400 and 600, and angles of attack of $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, and $30^{\circ}$. Through this study, it is observed that the elliptic cylinder thickness, angle of attack, and Reynolds number affect significantly not only the time-mean values and the amplitudes of the drag and lift forces but also the frequencies of the force oscillations.
In this study, the Eulerian/Lagrangian one-way coupling method is proposed to predict flow noise due to Blade-Tip Vortex Cavitation (BTVC). The proposed method consists of four sequential steps: flow field simulation using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques, reconstruction of wing-tip vortex using vortex model, generation of BTVC using bubble dynamics model and acoustic wave prediction using the acoustic analogy. Because the CFD prediction of tip vortex structure generally suffers from severe under-prediction of its strength along the steamwise direction due to the intrinsic numerical damping of CFD schemes and excessive turbulence intensity, the wing-tip vortex along the freestream direction is regenerated by using the vortex modeling. Then, the bubble dynamics model based on the Rayleigh-Plesset equation was employed to simulate the generation and variation of BTVC. Finally, the flow noise due to BTVC is predicted by modeling each of spherical bubbles as a monople source whose strength is proportional to the rate of time-variation of bubble volume. The validity of the proposed numerical methods is confirmed by comparing the predicted results with the measured data.
Lee, Kwang Ho;Ha, Sun Wook;Lee, Kui Seop;Kim, Do Sam
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.2B
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pp.175-185
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2011
This study investigates tsunami force acting on a group of onshore structures numerically by using three-dimensional one-field model for immiscible multi-phase flows, which is based on Navier-Stokes solver. In particular, we studied on the characteristics of tsunami with respect to the arrangement of onshore structures and the distance from seawall trough numerical experiments. For validation of the numerical method used in this study to calculate tsunami force, numerical results for tsunami force on the structures in coastal area are compared with available experimental data. Furthermore, a detail study on the efficiency of the numerical method is performed for the estimation of tsunami force based on the hydrostatic and hydrodynamic methods in which the numerical results are used. The obtained results are compared to the previous experimental one and design criteria. Considering both experimental results and numerical analysis results, semi-empirical formula by regression analysis is proposed. As a result, it was confirmed that the numerical analysis is effective to estimate on tsunami force acting on onshore structures.
Nam, Jong Soon;Kim, Gyu Wan;Kim, Jin Hyeon;Kim, Heuy Dong
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.7
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pp.629-636
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2013
Pneumatic levitation is based upon Bernoulli's principle. However, this method is known to require a large gas flow rate that can lead to an increase in the cost of products. In this case, the gas flow rate should be increased, and the compressible effects of the gas may be of practical importance. In the present study, a computational fluid dynamics method has been used to obtain insights into Bernoulli levitation flows. Three-dimensional compressible Navier-Stokes equations in combination with the SST k-${\omega}$ turbulence model were solved using a fully implicit finite volume scheme. The gas flow rate, workpiece diameter,and clearance gap between the workpiece and the circular cylinder were varied to investigate the flow characteristics inside. It is known that there is an optimal clearance gap for the lifting force and that increasing the supply gas flow rate results in a larger lifting force.
Lee, Bo Seong;Hong, Jeong U;Lee, Dong Ho;Lee, Sang San
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.5
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pp.37-43
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2003
Parallel computing method is widely used in the computational fluid dynamics for efficient numerical analysis. Nowadays, low cost Linux cluster computers substitute for traditional supercomputers with parallel computing shcemes. The performance of nemerical solvers on an Linux cluster computer is highly dependent not on the performance of processors but on the performance of network devices in the cluster system. In this paper, we investigated the effects of the network devices such as Myrinet2000, gigabit ethernet, and fast ethernet on the performance of the cluster system by using some benchmark programs such as Netpipe, LINPACK, NAS NPB, and MPINS2D Navier-Stokes solvers. Finally, upon this investigation, we will suggest the method for building high performance low cost Linux cluster system in the computational fluid dynamics analysis.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.50
no.5
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pp.282-290
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2013
The effects of the combination of blade number for forward and after propeller on the propeller shaft forces of a contra-rotating propeller (CRP) system are presented in the paper. The research is performed through the numerical simulations based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). The simulation results of the present method in open water condition are validated comparing with the experimental data as well as the other numerical simulation results based on the potential method for 4-0-4 CRP (3686+3687A) and 4-0-5 CRP (3686+3849) of DTNSRDC. Two sets of CRP are designed and simulated to study the effect of the combination of blade number in behind-hull condition. One set consists of 3-blade and 4-blade, while the other is 4-blade and 4-blade. A full hull body submerged under the free surface is modeled in the computational domain to simulate directly the wake field of the ship at the propeller plane. From the simulation results, the fluctuations of axial force and moment are dominant in the case of same blade numbers for forward and after propellers, whereas the fluctuations of horizontal and vertical forces and moments are very large in the case of different blade numbers.
This paper describes the characteristics of tidal currents in the Gamag Bay by using the two-dimensional nonlinear hydrodynamic euation. The basic equations are derived by Navier-Stokes momentum equation and continuity equation and its characteristics critically are reviewed, and they are analysed by the implicit finite difference method. The numerical model is constructed two-dimensional(depth-averaged) simple layer model. This paper investigates the stability of solution and convergence of solution in application of the method to Gamag Bay, and the reproducibility of the simulation is also discussed in comparison with the results of field survey. The following items are clarifide through the numerical investigation; i)the reproduc-ibility of tidal range and currents are quite acceptable, comparing with the results of model tests and field data, and ii) tidal cycle for convergent solution is four tidal cycle, also, iii) bottom friction is successfully represented as c=(1/n))$h^{1/6}$.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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