In this study, a computational method for wall shear stress combined with an implicit direct-forcing immersed boundary method is presented. Near the immersed boundaries, the sub-grid stress is determined by a wall model in which the wall shear stress is directly calculated from the Lagrangian force on the immersed boundary. A coupling mathematical model of the transition process for a model Francis turbine comprising turbulent flow and rotating rigid guide vanes is established. The spatiotemporal distributions of pressure, velocity, vorticity and turbulent quantity are gained with the transient process; the drag and lift coefficients as well as other forces (moments) are also obtained as functions of the attack angle. At the same time, analysis is conducted of the characteristics of pressure pulsation, velocity stripes and vortex structure at some key parts of flowing passage. The coupling relations among the turbulent flow, the dynamical force (moment) response of blade and the rotating of guide vane are also obtained.
The IB-SEM numerical method combines the spectral/hp element method and the rigid immersed boundary method. This method avoids the problems of low computational efficiency and errors that are caused by the re-division of the grid when the solids move. Based on the Fourier transformation and the 3D immersed boundary method, the 3D IB-SEM system was established. Then, using the open MPI and the Hamilton HPC service, the computational efficiency was increased substantially. The flows around a cylinder and a sphere were simulated by the system. The surface of the cylinder generates vortices with alternating shedding, and these vortices result in a periodic force acting on the surface of the cylinder. When the shedding vortices enter the flow field behind the cylinder, a recirculation zone is formed. Finally, the three-dimensional pore flow was successfully investigated.
The interaction between particles and fluid was investigated by IB-SEM numerical method which is a combination of combing the spectral/hp element method and the rigid immersed boundary method. The accuracy of this numerical method was verified based on the computed results with the traditional body-fitted mesh in numerical simulation of the flow through the cylinder. Then the governing equations of particles motion and contact in fluid are constructed. The movement of the particles and the interaction between the fluid and the particles are investigated. This method avoided the problem of low computational efficiency and error caused by the re-division of the grid when the solids moved. Finally, the movement simulation of multi particles in the fluid was carried out, which can provide a completely new numerical simulation method.
Fluid-body interaction analysis of floating body with six degree-of-freedom motion is presented. In this study, three-dimensional incompressible Navier-Stokes equations are employed as a governing equation. The numerical method is based on a finite-volume approach on a cartesian grid together with a fractional-step method. To represent the body motion, the immersed boundary method for direct forcing is employed. In order to simulate the coupled six degree-of-freedom motion, Euler's equations based on rigid body dynamics are utilized. To represent the complex body shape, level-set based algorithm is utilized. In order to describe the free surface motion, the volume of fluid method utilizing the tangent of hyperbola for interface capturing scheme is employed. This study showed three different continuums(air, water and body) are simultaneously simulated by newly developed code. To demonstrate the applicability of the current approach, two different problems(dam-breaking with stationary obstacle and water entry) are simulated and all results are validated.
A methodology for the simulation of compressible high Reynolds number flow over rigid and moving bodies on a structured Cartesian grid is described in this paper. The approach is based on a modified version of the Brinkman Penalization method. To avoid oscillations in the vicinity of the body and to simulate shcok-containing flows, a Weighted Essentially Non-Oscillatory scheme is used to discretize the spatial flux derivatives. For high Reynolds number viscous flow, two turbulence models of the two-equation Menter's SST URANS model and a two-equation Detached Eddy Simulation are implemented. Some simple flow examples are given to assess the accuracy of the technique. Finally, a moving grid capability is demonstrated.
A methodology for the simulation of compressible high Reynolds number flow over rigid and moving bodies on a structured Cartesian grid is described in this paper. The approach is based on a modified version of the Brinkman Penalization method. To avoid oscillations in the vicinity of the body and to simulate shcok-containing flows, a Weighted Essentially Non-Oscillatory scheme is used to discretize the spatial flux derivatives. For high Reynolds number viscous flow, two turbulence models of the two-equation Menter's SST URANS model and a two-equation Detached Eddy Simulation are implemented. Some simple flow examples are given to assess the accuracy of the technique. Finally, a moving grid capability is demonstrated.
Khabakhpasheva, Tatyana;Chen, Yang;Korobkin, Alexander;Maki, Kevin
Journal of Advanced Research in Ocean Engineering
/
v.4
no.4
/
pp.146-162
/
2018
The unsteady problem of a rigid body impact onto a floating plate is studied. Both the plate and the water are at rest before impact. The plate motion is caused by the impact force transmitted to the plate through an elastic layer with viscous damping on the top of the plate. The hydrodynamic force is calculated by using the second-order model of plate impact by Iafrati and Korobkin (2011). The present study is concerned with the deceleration experienced by a rigid body during its collision with a floating object. The problem is studied also by a fully-nonlinear computational-fluid-dynamics method. The elastic layer is treated with a moving body-fitted grid, the impacting body with an immersed boundary method, and a discrete-element method is used for the contact-force model. The presence of the elastic layer between the impacting bod- ies may lead to multiple bouncing of them, if the bodies are relatively light, before their interaction is settled and they continue to penetrate together into the water. The present study is motivated by ship slamming in icy waters, and by the effect of ice conditions on conventional free-fall lifeboats.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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