In order to simulate a free surface flow in a trench channel, a three-dimensional incompressible unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations are closed with the ${\kappa}-{\epsilon}$ model. The artificial compressibility (AC) method is used. Because the pressure fields can be coupled directly with the velocity fields, the incompressible Navier-Stokes (INS) equations can be solved for the unknown variables such as velocity components and pressure. The governing equations are discretized in a conservation form using a second order accurate finite volume method on non-staggered grids. In order to prevent the oscillatory behavior of computed solutions known as odd-even decoupling, an artificial dissipation using the flux-difference splitting upwind scheme is applied. To enhance the efficiency and robustness of the numerical algorithm, the implicit method of the Beam and Warming method is employed. The treatment of the free surface, so-called interface-tracking method, is proposed using the free surface evolution equation and the kinematic free surface boundary conditions at the free surface instead of the dynamic free surface boundary condition. AC method in this paper can be applied only to the hydrodynamic pressure using the decomposition into hydrostatic pressure and hydrodynamic pressure components. In this study, the boundary-fitted grids are used and advanced each time the free surface moved. The accuracy of our RANS solver is compared with the laboratory experimental and numerical data for a fully turbulent shallow-water trench flow. The algorithm yields practically identical velocity profiles that are in good overall agreement with the laboratory experimental measurement for the turbulent flow.
We present an immersed boundary (IB) method for 3D simulation of flappingflags in a uniform flow. The proposed formulation is manipulated on the basis of an efficient Navier-Stokes solver adopting the fractional step method and a staggered Cartesian grid system. A direct numerical method is developed to calculate the flag motion, with the elastic force treated implicitly. The fluid motion defined on an Eulerian grid and the flag motion defined on a Lagrangian grid are independently solved and the mass of flag is handled in a natural way. An additional momentum forcing is formulated from the flag motion equation in a way similar with the direct-forcing IB formulation and acts as the interaction force between the flag and ambient fluid. A series of numerical tests are performed and the present results are compared qualitatively and quantitatively with previous studies. The instantaneous flag motion is analyzed under different conditions and surrounding vortical structures are identified. The effects of physical parameters on the flapping frequency are studied.
Using 3D computational fluid dynamics techniques in recent years have shed significant light on the Vortex Induced Vibrations (VIV) encountered by deep-water marine risers. The fatigue damage accumulated due to these vibrations has posed a great concern to the offshore industry. This paper aims to present an algorithm to predict the crossflow and inline fatigue damage for very long (L/D > $10^3$) marine risers using a Finite-Analytical Navier-Stokes (FANS) technique coupled with a tensioned beam motion solver and rainflow counting fatigue module. Large Eddy Simulation (LES) method has been used to simulate the turbulence in the flow. An overset grid system is employed to mesh the riser geometry and the wake field around the riser. Risers from NDP (2003) and Miami (2006) experiments are used for simulation with uniform, linearly sheared and non-uniform (non-linearly sheared) current profiles. The simulation results including inline and crossflow motion, modal decomposition, spectral densities and fatigue damage rate are compared to the experimental data and useful conclusions are drawn.
Both a Finite Volume and a Discrete Vortex technique to solve the unsteady Navier-Stokes equations have been employed to study the air flow around long-span bridge decks. The implementation and calibration of both methods is described alongside a quasi-3D extension added to the DVM solver. Applications to the wind engineering of bridge decks include flow simulations at different angles of attack, calculation of aerodynamic derivatives and fluid-structure interaction analyses. These are being presented and their specific features described. If a numerical method shall be employed in a practical design environment, it is judged not only by its accuracy but also by factors like versatility, computational cost and ease of use. Conclusions are drawn from the analyses to address the question of whether computer simulations can be practical design tools for the wind engineering of bridge decks.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.15
no.3
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pp.232-240
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2014
Transonic flow past a NASA SC(2)-0710 airfoil with deployments of a spoiler up to $6^{\circ}$ was studied numerically. We consider angles of attack from $-0.6^{\circ}$ to $0.6^{\circ}$ and free-stream Mach numbers from 0.81 to 0.86. Solutions of the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations were obtained with a finite-volume solver using several turbulence models. Both stationary and time-dependent deployments of the spoiler were examined. The study revealed the existence of narrow bands of the Mach number, angle of attack, and spoiler deflection angle, in which the flow was extremely sensitive to small perturbations. Simulations of 3D flow past a swept wing confirmed the flow sensitivity to small perturbations of boundary conditions.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.3
no.5
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pp.17-23
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1995
A numerical analysis on engine coolant is made by the use of FVM based general purpose 3 dimensional Navier-Stokes solver, TURB-3D. Numerical solutions are verified by comparison with the experimental data of Lotus model. The results show a good qualitative as well as quantitative comparison. Coolant flow rate control is attempted through adjusting the cross section area of passage base on the results of an original coolant passage. It is concluded from the results that the flow rate control is possible as attempted, and thus can be used in the real engine design.
Viscous solutions of supersonic jet impinging on a flat plate normal to the flow are simulated using three-dimensional Navier-Stokes solver. The jet impinging flow structure exhibits such complex nature as shock shell, plate shock and Mach disk depending on the flow parameters. Among others, the dominant parameters are the ratio of the nozzle exit pressure to the ambient pressure and the distance between the nozzle exit plane and the impinging plane. In the present study, the nozzle contour and the pressure ratio are held fixed, while the jet impinging distance is varied to illuminate the characteristics of the jet plume with the distance. As the plate is placed close to the nozzle at 3D high, the computed wall pressure at or near the jet center oscillates with large amplitude with respect to the mean value. Here D is the nozzle exit diameter. The amplitude of wall pressure fluctuations subsides as the distance increases, but the maximum mean pressure level at the plate is achieved when the distance is about 4D high. The frequency of the wall pressure is estimated at 6.0 kHz, 9.3 kHz, and 10.0 kHz as the impinging distance varies from 3D, 4D, to 6D, respectively.
Kim, Beom-Seok;Kim, Jeong-Hwan;Kim, You-Taek;Nam, Chung-Do;Lee, Young-Ho
Proceedings of the KSME Conference
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2003.04a
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pp.2192-2197
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2003
The purpose of this 3-D numerical simulation is evaluate the application of a commercial CFD code to predict 3-D flow and power characteristics of wind turbines. The experimental approach, which has been main method of investigation, appears to be its limits, the cost increasing with the size of the wind turbines, hence mostly limited to observing the phenomena on rotor blades. Therefore, the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques and Navier-Stokes solvers are considered a very serious contender. The flow solver CFX-TASCflow is employed in all computations in this paper. The 3-D flow separation and the wake distribution of 2 and 3 bladed Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs) are compared to Heuristic model and smoke-visualized experimental result by NREL(National Renewable Energy Laboratory). Simulated 3-D flow separation structure on the rotor blade is very similar to Heuristic model and the wake structure of the wind turbine is good consistent with smoke-visualized result. The calculated power of the 3 bladed rotor by CFD is compared with BEM results by TV-Delft. The CFD results of which is somewhat consist with BEM results, under an error less than 10%.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.27
no.7
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pp.906-913
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2003
The purpose of this 3-D numerical simulation is to evaluate the application of a commercial CFD code to predict 3-D flow and power characteristics of wind turbines. The experimental approach, which has been main method of investigation, appears to be its limits, the cost increasing with the size of the wind turbines, hence mostly limited to observing the phenomena on rotor blades. Therefore. the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques and Navier-Stokes solvers are considered a very serious contender. The flow solver CFX-TASCflow is employed in all computations in this paper. The 3-D flow separation and the wake distribution of 2 and 3 bladed Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs) are compared to Heuristic model and smoke-visualized experimental result by NREL(National Renewable Energy Laboratory). Simulated 3-D flow separation structure on the rotor blade is very similar to Heuristic model and the wake structure of the wind turbine is good consistent with smoke-visualized result. The calculated power of the 3 bladed rotor by CFD is compared with BEM results by TU-Delft. The CFD results of which is somewhat consist with BEM results. under an error less than 10%.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.29
no.2
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pp.92-108
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2017
Present work shows a numerical method to analysis of interaction analysis between solitary wave and onshore bridge. Numerical simulation is carried out by TWOPM-3D (three-dimensional one-field model for immiscible two-phase flows), which is based on Navier-Stokes solver. To do this, the solitary wave is generated numerically in numerical wave channel, and numerical results and experimental results were compared and analyzed in order to verify the applicability of force acting on an onshore bridge. From this, we discussed precisely the characteristics of horizontal and vertical forces (uplift and downward forces) changes including water level and velocity changes due to the variation of solitary wave height, water depth, onshore bridge's location and type, and number of girder. Furthermore, It is revealed that the maximum horizontal and vertical forces acting on the girder bridge show different varying properties according to the number of girder, although each maximum force acting on the girder bridge is proportional to the increasement of incident solitary wave height, and the entrained air in the fluid flow affects the vertical force highly.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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