In this paper, the wave and current forces acting on cylinders are investigated by theoretical and experimental methods. The models used are one-cylinder, four-cylinder and semi-submersible types. The theoretical investigations are carried out by the Morison equation and three dimensional source distribution method to calculate exciting forces in waves with and without currents. The experimental investigations are carried out in the wave tank which can generate currents in both directions. In these tests, the models have been exposed to the regular waves with and without currents. It is shown that the exciting forces acting on the one-cylinder or four-cylinders can be approximately estimated by the Morison equation and also by the diffraction theory. However, the Morison equation seems to be not appropriate to estimate the exciting forces on the present type of semi-submersible.
A numerical hydrodynamic performance analysis of the pitch-type multibody wave energy converter (WEC) is carried out based on both linear potential flow theory and computational fluid dynamics (CFD) in the unidirectional wave condition. In the present study, Salter's duck (rotor) is chosen for the analysis. The basic concept of the WEC rotor, which nods when the pressure-induced motions are in phase, is that it converts the kinetic and potential energies of the wave into rotational mechanical energy with the proper power-take-off system. This energy is converted to useful electric energy. The analysis is carried out using three WEC rotors. A multibody analysis using linear potential flow theory is performed using WAMIT (three-dimensional diffraction/radiation potential analysis program), and a CFD analysis is performed by placing three WEC rotors in a numerical wave tank. In particular, the spacing between the three rotors is set to 0.8, 1, and 1.2 times the rotor width, and the hydrodynamic interaction between adjacent rotors is checked. Finally, it is confirmed that the dynamic performance of the rotors slightly changes, but the difference due to the spacing is not noticeable. In addition, the CFD analysis shows a lateral flow phenomenon that cannot be confirmed by linear potential theory, and it is confirmed that the CFD analysis is necessary for the motion analysis of the rotor.
The primary wave energy conversion by a three-dimensional bottom-mounted oscillating water column (OWC) wave power device in regular waves has been studied. The linear potential boundary value problem has been solved following the boundary matching method. The optimum shape parameters such as the chamber length and the depth of the front skirt of the OWC chamber obtained through two-dimensional numerical tests in the frequency domain have been applied in the design of the present OWC chamber. Time-mean wave power converted by the OWC device and the time-mean second-order wave forces on the OWC chamber structure have been presented for different wave incidence angles in the frequency-domain. It has been shown that the peak period of $P_m$ for the optimum damping parameter coincides with the peak period of the time.mean wave drift force when ${\gamma}=0$.
Park, Min-Su;Jeong, Youn-Ju;You, Young-Jun;Lee, Du-Ho;Kim, Byeong-Cheol
Ocean Systems Engineering
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v.4
no.3
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pp.169-183
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2014
For the reliable design of substructure supporting offshore wind turbines it is very important to reduce the effects of wave forces. Since the substructure is strongly influenced by the effects of wave forces as the size of substructure increases. In the present study, the hybrid substructure with multi-cylinder is newly suggested to reduce the effects of wave forces. Using diffraction theory the scattering waves in a fluid region are expressed by an Eigenfunction expansion method with three dimensional potential theory to calculate the wave force acting on the hybrid substructure. The wave force and wave run-up acting on the hybrid substructure is presented to examine the water wave interaction according to the variation of cylindrical size and the distance among cylinders. It is found that the suggested hybrid substructure with multi-cylinder is very useful to reduce the effects of wave forces acting on the substructure for offshore wind turbines.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.12
no.3
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pp.116-129
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2000
The interaction of incident monochromatic waves with a tensioned, flexible, circular membrane submerged horizontally below free surface is investigated in the frame of three-dimensional linear hydro-elastic theory. The velocity potential is split into two parts i.e. the diffraction potential representing the scattering of incident waves by a rigid circular disk and the radiation potential describing motion induced waves by elastic responses of flexible membrane. The fluid domain is divided into three regions, and the diffraction and radiation potentials in each region are expressed by the Fourier Bessel series. The displacement of circular membrane is expanded with a set of natural functions, which satisfy the membrane equation of motion and boundary conditions. The unknown coefficients in each region are determined by applying the continuity of pressure and normal velocity at the matching boundaries. The results show that various types of wave focusing are possible by controlling the size, submergence depth, and tension of membrane.
The interaction of incident manochromatic waves with an array of N surface-piercing porous dual cylindrical structures is investigated in the frame of three-dimensional linear potential theory. The dual cylindrical structure is camposed of concentric two cylinders. The exterior cylinder is porous and the interior cylinder is impermeable. The fluid domain is divided into N+1 regions i.e. a single exterior region and N interior regions. The diffraction potentials in each region representing the scattering of incident waves by an array of porous cylindrical structures are expressed by the Fourier Bessel series. The unknown coefficients in each region are determined by applying the porous boundary condition and continuity of mass flux at the matching boundary. It is found that an array of porous cylindrical structures reduces both the wave forces and the wave run-up, and shows the excellent performance of wave blocking. The results show that various types of breakwater exchanging seawater are prospective by controlling the porosity and the configuration of cylindrical structures.
Kim, Dongeun;Poguluri, Sunny Kumar;Ko, Haeng Sik;Lee, Hyebin;Bae, Yoon Hyeok
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.33
no.2
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pp.116-122
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2019
Among the various wave power systems, Salter's duck (rotor) is one of the most effective wave absorbers for extracting wave energy. The rotor shape is designed such that the front part faces the direction of the incident wave, which forces it to bob up and down due to wave-induced water particle motion, whereas the rear part, which is mostly circular in shape, reflects no waves. The asymmetric geometric shape of the duck makes it absorb energy efficiently. In the present study, the rotor was investigated using WAMIT (a program based on the linear potential flow theory in three-dimensional diffraction/radiation analyses) in the frequency domain and verified using OrcaFlex (design and analysis program of marine system) in the time domain. Then, an experimental investigation was conducted to assess the performance of the rotor motion based on the model scale in a two-dimensional (2D) wave tank. Initially, a free decay test (FDT) was carried out to obtain the viscous damping coefficient. The pitch response was extracted from the experimental time series in a periodic regular wave for two different wave heights (1 cm and 3 cm). In addition, the viscous damping coefficient was calculated from the FDT result and fluid forces, obtained from WAMIT, are incorporated into the final response of the rotor. Finally, a comparative study based on experimental and numerical results (WAMIT & OrcaFlex) was performed to confirm the performance reliability of the designed rotor.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.15
no.4
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pp.232-241
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2003
The interaction of incident monochromiatic waves with N bottom-mounted porous circular cylinders is investigated in the frame of three-dimensional linear potential theory. The fluid domain is divided into N+l regions i.e. a single exterior region and N interior regions, and the diffraction potential in each fluid region is expressed by an eigenfunction expansion method (Williams and Li,2000). The analytic results show that the porous structure reduces both the wave forces and the run-up wave around the cylinder. To verify the developed model, the systematic model test with a line array of porous cylinders is conducted at the wave tank (30m$\times$7m$\times$1.5m). The analytic results are in good agreement with the experimental results within measured frequency range. It is concluded that the breakwater constructed with an array of porous circular cylinders shows the performance of an effective wave barrier together with the seawater-exchange effect and is considered to have vast potentials for the use of seawater-exchanging breakwater in the future.
Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea
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v.26
no.2
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pp.49-63
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1989
Wave drift forces which are small in magnitudes compared to the first order wave exciting forces can cause very large motion of a vessel in waves. In this paper a theoretical and experimental analysis is made of the mean and slowly varying wave dirft forces on the semi-submersible platform. Theoretical calculations are performed by using near field method with three dimensional diffraction theory and model tests are carried out in regular and irregular waves with a 1/60 semi model. Test results are compared with theoretical calculations and the mooring spring effects in the test are discussed.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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