강체-유체 충격문제에 대한 Lagrangian 유한요소 해석

Lagrangian Finite Element Analysis of Water Impact Problem

비압축성 유체유동에 대한 Navier-Stokes 방정식과 충돌 접촉면 조건으로 특징지어지는 강체-유체 충돌문제를 Lagrangian 유한요소법에 의해 해석하였으며, 계산의 편의상, 속도장을 점성및 중력항과 압력항으로 나누어 수행하는 소위 fractional step method를 도입하였다. 유체영역은 4절점의 4각형 요소로 분할하였으며, 충분히 작은 시간간격의 도입을 전제로 하여 explicit time marching법으로 수치해석하였다. 매 시간 step의 초기에 우선 운동량-충격량 법칙으로 강체의 수면충돌후 속도를 구했으며, 그 속도로 표현되는 충돌 접촉면의 경계조건과 완전한 형태의 자유표면조건 그리고 운동방정식 및 연속 방정식을 모두 만족하는 속도장을 구하였다. 본 논문에서 제시하는 수치해석법에 의하면, 유체충격문제에 있어 매우 중요하다고 알려져 있는 tip splash를 포함하는 자유표면의 형상을 쉽게 추적해 갈 수 있다. Lagrangian 유한요소법의 적용의 타당성을 확인하기 위하여 대칭형 2차원 쐐기 모양의 강체가 수면충돌하는 경우를 예로하여 시간의 경과에 따른 충격수압의 분포 및 충격외력 등을 추정한 결과, 본 방법의 적용의 유효성과 아울러 몇가지 유용한 결론을 유도할 수 있었다.

The updated Lagrangian Finite Element Method is introduced to analyse rigid body-fluid impact problem which is characterized by incompressible Navier-Stokes equations and impact-contact conditions between free surface and rigid body. For the convenience of numerical computation, velocity fields are splinted into vicous and pressure parts, and then the governing equations and boundary conditions are decomposed in accordance with the decomposition. However, Viscous stresses acting an the solid boundaries are neglected on the assumption that very small velocity gradients may occur during extremely small time interval of the impact. Four coded quadrilateral elements are used to discretize the space domain and the fully explicit time-marching algorithm is employed with a reasonably small time step. At the beginning of each time step, contact velocity of the rigid body is computed from the momentum balance between the body and the fluid. The velocity field is then computed to satisfy the discretized equations of motions and incompressibility and contact constraints as well as an exact free surface boundary condition. At the end of each time step, the fluid domain is updated from the velocity field. In the present time stepping numerical analysis, behaviour of the free surface near the body can be observed without any difficulty which is very important in the water impact problem. The applicability of the algorithm is illustrated by a wedge type falling body problem. The numerical solutions for time-varying pressure distributions and impact loadings acting ion the surface are obtained.