A submarine is optimized to operate below the water surface because it spends most of its time in a submerged condition. However, the performance in free surface conditions is also important because it is unavoidable for port departure and arrival. Generally, potential flow theory is used for seakeeping analysis of a surface ship and is known for excellent numerical accuracy. In the case of a submarine, the accuracy of potential theory is high underwater but is low in free surface conditions because of the nonlinearity near the free surface area. In this study, the seakeeping performance of a Canadian Victoria Class submarine in regular waves was investigated to improve the numerical accuracy in free surface conditions by using computational fluid dynamics (CFD). The results were compared to those of model tests. In addition, the potential theory software Hydrostar developed by Bureau Veritas was also used for seakeeping performance to compare with CFD results. From the calculation results, it was found that the seakeeping analysis by using CFD gives good results compared with those of potential theory. In conclusion, seakeeping analysis based on CFD can be a good solution for estimating the seakeeping performance of submarines in free surface conditions.
The theories having been developed thus far account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. A shear correction factor, therefore, is not required. In this paper, the effect of surface on the axial buckling and free vibration of nanobeams is studied using various refined higher-order shear deformation beam theories. Furthermore, these theories have strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in aspects such as equations of motion, boundary conditions, and expressions of the resultant stress. The equations of motion and boundary conditions were derived from Hamilton's principle. The resultant system of ordinary differential equations was solved analytically. The effects of the nanobeam length-to-thickness ratio, thickness, and modes on the buckling and free vibration of the nanobeams were also investigated. Finally, it was found that the buckling and free vibration behavior of a nanobeam is size-dependent and that surface effects and surface energy produce significant effects by increasing the ratio of surface area to bulk at nano-scale. The results indicated that surface effects influence the buckling and free vibration performance of nanobeams and that increasing the length-to-thickness increases the buckling and free vibration in various higher-order shear deformation beam theories. This study can assist in measuring the mechanical properties of nanobeams accurately and designing nanobeam-based devices and systems.
Here we consider the evaluation of the the dynamic component of the second order force due to wave diffraction by a circular cylinder analytically and numerically. The cylinder is fixed, vertical, surface piercing in water of finite uniform depth. The formulation of the wave-structure interaction is based on the assumption of a homogeneous, ideal, incompressible, and inviscid fluid. The nonlinearity in the wave-structure interaction problem arises from the free surface boundary conditions, namely, dynamic and kinematic free surface boundary conditions. We expand the velocity potential and free surface elevation functions in terms of a small parameter and then consider the second order diffraction problem. After deriving the pressure using Bernoulli's equation, we obtain the analytical expression for the dynamic component of the second order force on the cylinder by integrating the pressure over the wetted surface. The computation of the dynamic force component requires only the first order velocity potential. Numerical results for the dynamic force component are presented.
This paper provides the numerical results of a simulation of the flow around a propeller working beneath the free surface. A finite volume method is used to solve the unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes (URANS) equations, where the wave-making problem is solved using a volume-of-fluid (VOF) method. The numerical analysis focuses on the propeller wake structure affected by the free surface, where we consider another free surface boundary condition that treats the free surface as a rigid wall surface. The propeller wake under the effect of these two free surface conditions shows a reduction in the magnitude of the longitudinal and vertical flow velocities, and its vortical structures strongly interact with the free surface. The thrust and torque coefficient under the free surface effect decrease about 3.7% and 3.1%, respectively. Finally, the present numerical results show a reasonable agreement with the available experimental data.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.45
no.1
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pp.54-62
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2008
A new solution method was developed to solve the free surface flow around a hull and named as 'Variable Free Surface Panel Method'. In the method the non-linearity of the free surface boundary conditions was fully taken into account and the raised panel method was employed to effectively solve the problem. The transom stern flow was also considered and the panel on the hull was generated using the panel cutting method. Numerical calculations were performed for KCS(KRISO Container Ship) hull form and compared with the experimental data to confirm the validity of the method. The comparison with the conventional free surface panel method was also accomplished. It is confirmed that new method gives more reliable results than the conventional method.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.34
no.1
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pp.41-49
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1997
Computational results from Navier-Stokes equations are presented for the Stokes-wave/flat-plate boundary-layer and wake for small wave steepness(Ak=0.01), including exact and approximate treatments of the viscous free-surface boundary conditions. The macro-scale flow indicate that the variations of the external-flow pressure gradients cause acceleration or deceleration of the streamwise velocity component and alternating direction of the cross flow. Remarkably, the wake displays a greater response, i.e., a bias with regard to favorable as compared to adverse pressure gradients. The micro-scale flow indicates that the free-surface boundary conditions have a profound influence over the boundary layer and near/intermediate wake. Order-of-magnitude estimates are conformed to the computational results. And appreciable errors are introduced through approximations to the free-surface boundary conditions.
The process of evaporation from free water surface was simulated in a large scale environmental chamber under various controlled atmospheric conditions and also was modelled by a new mass transfer model. Six evaporation tests were conducted with increasing wind speed and air temperature in the environmental chamber, and hence the effect of atmosphere parameters on the evaporation process and the corresponding response of water were investigated. Furthermore, based on the experiment results, seven general types of mass transfer models were evaluated firstly, and then a new model consisted of wind speed function and air relative humidity function was proposed and validated. The results show that the free water evaporation is mainly affected by the atmospheric parameters and the evaporation rate increases with the increasing air temperature and wind speed. Both the air and soil temperatures are affected by the energy transformation during water evaporation. The new model can satisfactorily describe the evaporation process from free water surface under different atmospheric conditions.
The aerodynamic effects of a 3-dimensional Wing in Ground Effect (WIG) which moves above the free surface has been numerically investigated via finite difference techniques. The air flow field around a WIG is analyzed by a Marker & Cell (MAC) based method, and the interactions between WIG and the free surface are studied by the pressure distributions on the free surface. Waves are generated by the surface pressure distribution, and a Navier-Stokes solver has been employed, to include the nonlinearities in the free surface conditions. The pressure values Cp and lift/drag ratio are reviewed by changing the height/chord ratio. In the present computations a NACA0012 airfoil with a span/chord ratio of 3.0 are treated. Through computational results, it is confirmed that the free surface can be treated as a rigid wavy wall.
Unsteady nonlinear wave motions on the free surface over a plane beach of constant slope are numerically simulated using a finite difference method in rectangular grid system. Two-dimensional Navier-Stokes equations and the continuity equation are used for the computations. Irregular leg lengths and stars are employed near the boundaries of body and free surface to satisfy the boundary conditions. Also, the free surface which consists of markers or segments is determined every time step with the satisfaction of kinematic and dynamic free surface conditions. Moreover, marker-density method is also adopted to allow plunging jets impinging on the free surface. The second-order Stokes wave theory and solitary wave theory are employed for the generation of waves on the inflow boundary. For the simulation of wave breaking phenomena, the computations are carried out with the plane beach of constant slope in surf zone. The results are compared with each other. The marker-density method is better then the hybrid method. Also they are compared with other existing experimental results. The Agreement between the experimental data and the computation results is good.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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