Marine structures are often in contact with inner or outer fluid as stern, ballast and oil tanks. The effect of interaction between fluid and structure has to be taken into consideration when we estimate the dynamic response of the structure appropriately. Fatigue damages can also be sometimes observed in these tanks which seem to be caused by resonance. Thin walled tank structures in ships which are in contact with water and located near engine or propeller where vibration characteristics are strongly affected by the added mass of containing water. Therefore it is essentially important to estimate the added mass effect to predict vibration characteristics of tank structures. But it is difficult to estimate exactly the magnitude of the added mass because this is a fluid-structure interaction problem and is affected by the free surface, vibration modes of structural panels and the depth of water. I have developed a numerical tool of vibration analysis of 3-dimensional tank structure using finite elements for plates and boundary elements for fluid region. In the present study, the effect of added mass of containing water, the effect of structural constraint between panels on the vibration characteristics are investigated numerically and discussed. Especially a natural frequencies by the fluid interaction between 2 panels and a breath mode of the water tank are focused on.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.26
no.5
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pp.35-43
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2022
Precise modeling and analysis of closed bomb test(CBT) combustion using solid propellants was performed. The fluid structure interaction(FSI) method was implemented to analyze the gas and solid phases at the same time. The Eulerian analysis method was applied for the gas phase and grain combustion, and the Lagrangian analysis method was implemented for the grain movement. The interaction between the solid phase grains and the combustion gas was fully coupled through the source term. The volume of fluid(VOF) method was used to simulate the burning distance of the grain and the movement of the combustion surface. The force acting on the grain was comprised of the pressure and gravity acting on the grain burning surface, and the grain burning rate and grain movement speed were considered in the velocity term of the VOF. The combustion analysis was performed for both one and three grains, and fairly compared with the experiments. The acoustic field during grain combustion due to pressure fluctuations was also analyzed.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.85-101
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2020
The optimal parameters for the fluid-structure interaction analysis using the Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) for fluids and finite elements for structures, respectively, are explored, and the effectiveness of the simulations with those parameters is validated by solving several open surface fluid problems. For the optimization of the Equation of State (EOS) and the simulation parameters such as the time step, initial particle spacing, and smoothing length factor, a dam-break problem and deflection of an elastic plate is selected, and the least squares analysis is performed on the simulation results. With the optimal values of the pivotal parameters, the accuracy of the simulation is validated by calculating the exerted force on a moving solid column in the open surface fluid. Overall, the SPH-FEM coupled simulation is very effective to calculate the fluid-structure interaction. However, the relevant parameters should be carefully selected to obtain accurate results.
This paper presents a fully coupled three-dimensional solver for the analysis of interaction between pulsatile flow and large deformation structure. A partitioned time marching algorithm is employed for the solution of the time dependent coupled discretised problem, enabling the use of highly developed, robust and well-tested solvers for each field. Conservative transfer of information at the fluid-structure interface is combined with an effective multi-predict-correct iterative scheme to enable implicit coupling of the interacting fields at each time increment. The three-dimensional unsteady incompressible fluid is solved using a powerful implicit time stepping technique and an ALE formulation for moving boundaries with second-order time accurate is used. A full spectrum of total variational diminishing (TVD) schemes in unstructured grids is allowed implementation for the advection terms and finite element shape functions are used to evaluate the solution and its variation within mesh elements. A finite element dynamic analysis of the highly deformable structure is carried out with a numerical strategy combining the implicit Newmark time integration algorithm with a Newton-Raphson second-order optimisation method. The proposed model is used to predict the wave flow fields of a particular flow-induced vibrational phenomenon, and comparison of the numerical results with available experimental data validates the methodology and assesses its accuracy. Another test case about three-dimensional biomedical model with pulsatile inflow is presented to benchmark the algorithm and to demonstrate the potential applications of this method.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.24
no.6
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pp.17-24
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2020
In this study, series of nonlinear seismic analysis were performed on a reinforced concrete intake tower surrounded by water. To consider the fluid effect around the structure, analysis models were composed using an added mass and CEL approach. At this time, the implicit method was used for the added mass model, and the explicit method was used for the fluid structure interaction model. The input motions were scaled to correspond to 500, 1000, and 2400 years return period of the same artificial earthquake. To estimate the counteractivity of the fluid coupled model, models without fluid effect were constructed and used as a reference. The material models of concrete and reinforcement were selected to consider the nonlinear behavior after yielding, and analysis were performed by ABAQUS. As results, in the acceleration response spectrum of the structure, it was found that the influence of the surrounding fluid reducing the peak frequency and magnitude corresponding to the fundamental frequency of the structure. However, the added mass model did not affect the peak value corresponding to the higher mode. The sectional moments were increased significantly in the case of the added mass model than those of the reference model. Especially, this amplification occurred largely for a small-sized earthquake response in which linear behavior is dominant. In the fluid structure interaction model, the sectional moment with a low frequency component amplifies compared to that of the reference model, but the sectional moment with a high requency component was not amplified. Based in these results, it was evaluated that the counteractivity of the additive mass model was greater than that of the fluid structure interaction model.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.12
no.11
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pp.873-881
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2002
The fluid induced vibration (FIV) phenomena of an equivalent airfoil system of MAV have been investigated in low Reynolds number flow region. Unsteady flows with viscosity are computed using two-dimensional incompressible Navier-Stokes equations. The present fluid/structure interaction analysis is based on one of the most accurate computational approach with computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD) techniques. The highly nonlinear fluid/structure interaction phenomena due to severe flow separations have been analyzed for the low Reynolds region that has a dominancy of flow viscosity. The effects of Reynolds number and initial angle of attack on the fluid/structure coupled vibration instability are shown and the qualitative trend of FIV phenomenon is investigated.
Interaction of blood flow and leaflet behavior in a bileaflet mechanical heart valve was investigated using computational analysis. Blood flows of a Newtonian fluid and a non-Newtonian fluid with Carreau model were modeled as pulsatile, laminar, and incompressible. A finite volume computational fluid dynamics code and a finite element structure dynamics code were used concurrently to solve the flow and structure equations, respectively, where the two equations were strongly coupled. Physiologic ventricular and aortic pressure waveforms were used as flow boundary conditions. Flow fields, leaflet behaviors, and shear stresses with time were obtained for Newtonian and non-Newtonian fluid cases. At the fully opened phase three jets through the leaflets were found and large vortices were present in the sinus area. At the very final stage of the closing phase, the angular velocity of the leaflet was enormously large. Large shear stress was found on leaflet tips and in the orifice region between two leaflets at the final stage of closing phase. This method using fluid-structure interaction turned out to be a useful tool to analyze the different designs of existing and future bileaflet valves.
Dynamic analysis method is Presented for analyzing rectangular liquid storage structures excited by horizontal and vertical ground motions. The irrotational motion of invicid and incompressible ideal fluid in rigid rectangular liquid storage structures subjected to horizontal and vertical ground motions and the motion of fluid induced by structural deformation are expressed by analytic solutions. Analysis methods are obtained by applying analytic solutions of the fluid motion to finite element equation of the structural motion. The fluid-structure interaction effect is reflected into the coupled equation as added fluid mass matrix. The free surface sloshing motion, hydrodynamic pressure acting on the wall and structural behavior due to horizontal and vertical ground motions are obtained by the presented method.
Keivani, Amirhossein;Shooshtari, Ahmad;Sani, Ahmad Aftabi
Coupled systems mechanics
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v.3
no.4
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pp.385-403
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2014
In this paper, the forced vibration problem of an Euler-Bernoulli beam that is joined with a semi-infinite field of a compressible fluid is considered as a boundary value problem (BVP). This BVP includes two partial differential equations (PDE) and some boundary conditions (BC), which are introduced comprehensively. After that, the closed-form solution of this fluid-structure interaction problem is obtained in the frequency domain. Some mathematical techniques are utilized, and two unknown functions of the BVP, including the beam displacement at each section and the fluid dynamic pressure at all points, are attained. These functions are expressed as an infinite series and evaluated quantitatively for a real example in the results section. In addition, finite element analysis is carried out for comparison.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2006.05a
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pp.959-963
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2006
A three-dimensional elastic blood vessel model with internal diameter variation is considered to investigate internal flow characteristics and effects of structural deformation. Also, computational analyses for both the rigid model and the fully-coupled FSI model have been conducted in order to compare the shear stress, pressure distribution, and flow velocity in detail. A 70% narrowing area of asymmetric blood vessel model was especially investigated to show the versatility of fluid-structure interaction phenomenon. The results reveal that effect of fluid-structure interaction is very important to accurately investigate the flow characteristics of the blood vessel.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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