International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.163-177
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2021
Numerical simulations of the Vortex-Induced Vibration (VIV) about a large-scale flexible pipe subject to shear flow were carried out in this paper. Efficiency verification was performed firstly, validating that the proposed fluid-structure interaction solution strategy is competent in predicting the VIV response. Then, the VIV characteristics related to multi-mode and spanwise hybrid waveform about the flexible pipe attributed to shear flow were investigated. When inflow velocity rises, higher vibration modes are apt to be excited, and the spanwise waveform easily convertes from a standing-wave-dominated status to a hybrid standing-traveling wave status. The multi-mode or even multiple-dominant-mode is prone to occur, that is, the dominant mode is often followed by several apparent subordinate modes with considerable vibration energy. Hence, the shedding frequencies no longer obey Strouhal law, and vibration trajectories become intricate. According to the motion analysis concerning the coupled cross-flow and in-line vibrations, as well as the corresponding wake patterns, a tight coupling interaction exists between the structural deformation and the wake flow behind the flexible pipe. In addition, the evolution of the vortex tube along the pipe span and a strong 3D effect are observed due to the slenderness of the flexible pipe and the variability of the vortex shedding attributed to the shear flow.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.14
no.3
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pp.11-22
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2010
An analysis method is proposed for the transient linear or nonlinear analysis of dynamic interactions between a flexible dam body and reservoir impounding compressible water under earthquake loadings. The coupled dam-reservoir system consists of three substructures: (1) a dam body with linear or nonlinear behavior; (2) a semi-infinite fluid region with constant depth; and (3) an irregular fluid region between the dam body and far field. The dam body is modeled with linear and/or nonlinear finite elements. The far field is formulated as a displacement-based transmitting boundary in the frequency domain that can radiate energy into infinity. Then the transmitting boundary is transformed for the direct coupling in the time domain. The near field region is modeled as a compressible fluid contained between two substructures. The developed method is verified and applied to various earthquake response analyses of dam-reservoir systems. Also, the method is applied to a nonlinear analysis of a concrete gravity dam. The results show the location and severity of damage demonstrating the applicability to the seismic evaluation of existing and new dams.
Lee, Kwang Ho;Kim, Chang Hoon;Kim, Do Sam;Yeh, Harry;Hwang, Young Tae
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.29
no.3B
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pp.289-301
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2009
In this work, wave run-up heights and resultant wave forces on a vertical revetment due to tsunami (solitary wave) are investigated numerically using a numerical wave tank model called CADMAS-SURF (CDIT, 2001. Research and Development of Numerical Wave Channel (CADMAS-SURF). CDIT library, No. 12, Japan.), which is based on a 2-D Navier-Stokes solver, coupled to a volume of fluid (VOF) method. The third order approximate solution (Fenton, 1972. A ninth-order solution for the solitary wave. J. of Fluid Mech., Vol. 53, No.2, pp.257-271) is used to generate solitary waves and implemented in original CADMAS-SURF code. Numerical results of the wave profiles and forces are in good agreements with available experimental data. Using the numerical results, the regression curves determined from the least-square analysis are proposed, which can be used to determine the maximum wave run-up height and force on a vertical revetment due to tsunami. In addition, the capability of CADMAS-SURF is demonstrated for tsunami wave forces acting on an onshore structure using various configuration computations including the variations of the crown heights of the vertical wall and the position of the onshore structure. Based on the numerical results such as water level, velocity field and wave force, the direct effects of tsunami on an onshore structure are discussed.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.16
no.1
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pp.64-70
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2008
Temperatures of engine head and liner depend on many factors such as spray and combustion process, coolant passage flow and engine related structures. To estimate the temperature distribution of engine structure, multi-dimensional computational fluid dynamics (CFD) codes have been mainly adopted. In this case, it is of great importance to obtain the realistic wall temperature distribution of entire engine structure. In the present work, a CFD-FEM coupling methodology was presented to address this demand. This approach was applied to a real large-size marine diesel engine. CFD combustion and coolant flow simulations were coupled to FEM temperature analysis. Wall heat flux and wall temperature data were interfaced between combustion simulation and solid component temperature analysis via translator by a commercial CFD package named FIRE by AVL. Heat transfer coefficient and surface temperature data were exchanged and mapped between coolant flow simulation and FEM temperature analysis. Results indicate that there exists the optimum cell thickness near combustion chamber wall to reasonably predict the wall heat flux during combustion period. The present study also shows that the effect of cell refining on predicting in-cylinder pressure during combustion is negligible. Hence, the basic guidance on obtaining the wall heat flux needed for the reasonable CFD-FEM coupling analysis has been established. It is expected that this coupling methodology is a robust tool for practical engine design and can be applied to further assessment of the temperature distribution of other engine components.
This study was carried out to evaluate the structural safety fur both the attached wind-protecting wall in greenhouse and the detached one installed outside. Regarding the attached wind-protecting wall in greenhouse, the analysis was conducted by doing a fluid-structure coupled field analysis using both CFX-5.7 and ANSYS 8.1 and also under the design condition of an instantaneous maximum wind velocity of $30.9m{\cdot}s^{-1}$. Three kinds of the width ranged from 30 to 90cm were considered in this study. With regard to the detached wind-protecting wall, the structural saffty was analyzed under the pressure difference of 1,117 Pa which corresponded to a wind velocity of $50m{\cdot}s^{-1}$ and the analytical results were also compared with theoretical ones. The result showed that there was little difference in the distribution of velocity overall and total pressure on the lateral side according to the width of the attached wind-protecting wall, but greenhouse with wind-protecting widths of 30 to 60cm has been reinforced to the extent of about 11% when compared with the case of being without the wall. The result also showed that the detached wind-protecting wall with a main-column interval of 3m was not stable so that it was necessary for the detached wind-protecting wall to be adequately reinforced to secure structural stability. Finally, there was great difference between analytical results and theoretical studies. The difference meant that there was some possibility of including errors when a theoretical study was done in three dimensional structure.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.22
no.1
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pp.82-89
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2016
In this study, we proposed a pier of pontoon-type, "Very Large Floating Structure" (VLFS), with the length of 500m, breadth of 200 m and height of 2 m in Yeosu domestic port. Since this structure ought to endure wave loads for long periods at sea, it is essential to analyze the wave response characteristics. Direct-method is used to analyze the fluid-structure problem and the coupled motion of equation is used to obtain response results. The structural part is calculated by using finite element method (FEM) and the fluid part is analyzed by using boundary element method (BEM). Dynamic responses caused by the elastic deformation and rigid motion of structure are analyzed by numerical calculation. To investigate response characteristics of the pier in regular waves, several factors such as the wavelength, water depth, wave direction and flexural rigidity of structure are considered. As a result, wave response of pier changed at the point of $L/{\lambda}$ 1.5 and represented the torsional phenomenon according to the various incident waves. And the responses showed increasing tendency as the water depths increase at the incident point in case of $L/{\lambda}=8.0$ and peak point of vertical displacement amplitude moved from side to side as the flexural rigidity of structure changes.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.3
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pp.163-171
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2024
Structural health monitoring for ships and offshore structures is important in various aspects. Ships and offshore structures are continuously exposed to various environmental conditions, such as waves, wind, and currents. In the event of an accident, immense economic losses, environmental pollution, and safety problems can occur, so it is necessary to detect structural damage or defects early. In this study, structural response data of multi-linked floating offshore structures under various wave load conditions was calculated by performing fluid-structure coupled analysis. Furthermore, the order reduction method with distortion base mode was applied to the structures for predicting the structural response by using the results of numerical analysis. The distortion base mode order reduction method can predict the structural response of a desired area with high accuracy, but prediction performance is affected by sensor arrangement. Optimization based on a genetic algorithm was performed to search for optimal sensor arrangement and improve the prediction performance of the distortion base mode-based reduced-order model. Consequently, a sensor arrangement that predicted the structural response with an error of about 84.0% less than the initial sensor arrangement was derived based on the root mean squared error, which is a prediction performance evaluation index. The computational cost was reduced by about 8 times compared to evaluating the prediction performance of reduced-order models for a total of 43,758 sensor arrangement combinations. and the expected performance was overturned to approximately 84.0% based on sensor placement, including the largest square root error.
The present study focuses on the effect of staggered integration factor (SIF) on Morton effect simulation results. The Morton effect is a synchronous rotordynamic instability problem caused by the temperature differential across the journal in fluid film bearings. Convection and conduction of heat in the thin film displaces the hot spot, which is the hottest circumferential position in the thin film, from -20 to 40 degrees ahead of the high spot, where the minimum film clearance is experienced. The temperature differential across the journal causes a bending moment and the corresponding thermal bow in the rotating frame acts like a distributed synchronous excitation in the fixed frame. This thermal bow may cause increased vibrations and continued growth of the synchronous orbit into a limit cycle. The SIF is developed assuming that the response of the rotor-lubricant-bearing dynamic system is much quicker than that of the bearing-journal thermal system, and it is defined as the ratio between the simulation time of the thermal system and the rotor-spinning period. The use of the SIF is unavoidable for efficient computing. The value of the SIF is chosen empirically by the software users as a value between 100 and 400. However, the effect of the SIF on Morton effect simulation results has not been investigated. This research produces simulation results with different values of SIF.
The unsteady flow past a circular cylinder which starts rotating or rotary oscillating impulsively from rest in a viscous fluid is investigated for Reynolds numbers Re=200 and 1000, rectilinear speed ratios ${\alpha}$ between 0.5 and 5.0, and forced oscillating frequencies $f_s$ between 0.1 and 2.0. Numerical solutions of the Navier-Stokes equations are obtained by using a finite volume method on an unstructured colocated grid. The objective of the study is to examine the effect of the rotating and rotary oscillating circular cylinder on the flow patterns and dynamics loads. The numerical results reveal that the $K\acute{a}rm\acute{a}n$ vortex street vanishes entirely behind the rotating cylinder when the ratio ${\alpha}$ exceeds the critical value, and the vortex shedding behind the rotary oscillating cylinder undergoes mainly three modes named 'synchronization', 'competition' and 'natural shedding' with the increase of $f_s$. Based on the amplitude spectra analysis of the lift coefficients, the regions of the classification of flow structure modes are presented, which provide important references for the flow control in the ocean engineering.
Kim, Hyun-Sil;Kim, Jae-Seung;Kim, Bong-Ki;Kim, Sang-Ryul;Lee, Seong-Hyun
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.22
no.8
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pp.800-807
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2012
In this paper, radiation efficiency of the plate surround by an infinite rigid baffle is studied. The plate is simply supported and one side is in contact with air, while other side with water. The pressure and normal velocity over the plate surface are assumed as modal summations, from which a set of linear equations is obtained for fluid-structure coupled problem. It is shown that neglect of the cross modes results in overestimation of the radiation efficiency specifically for mid-frequency ranges. Based on the fact that the responses are mainly determined from the first few cross modes in addition to the diagonal terms, a new algorithm is proposed, where banded matrix is iteratively solved in computing radiation efficiency. In numerical examples, it is found that radiation efficiency obtained from banded matrix is in excellent agreement with the one from the full matrix, while computing time is significantly reduced. It is also found that as frequency grows larger, radiation efficiency considering only diagonal terms is a good approximation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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