A three-dimensional WIG (Wing In Ground effect) moving above free surface is numerically studied by means of finite difference techniques. The air flow field around the WIG is analyzed by MAC (Marker & Cell) method, and interactions between WIG and the free surface are appeared as the variation of pressure distribution acting on the free surface. To analyze the wavemaking phenomena by those pressure distributions, the NS (Navier-Stokes) solver is employed in which nonlinearities of the free surface conditions can be included. Through the numerical simulation, Cp values and lift/drag ratio are carefully reviewed by changing the height/chord ratio. The section shape of model is NACA0012 with the span/chord ratio of 3.0. Through computational results, it is confirmed that the effect of free surface is small enough to treat it as a rigid wavy wall.
Recently, various particle based simulation techniques, which solve the Navier Stokes and continuity equations, have been developed and applied to complicated engineering problems. However, although progress is being made on their visualization or rendering techniques, these are still insufficient. In this study, to render a smooth configuration for a free surface, a rendering technique was developed that included the generation of density fields from the location information for simulated particles and the creation model for a polygonal surface. The developed rendering technique was applied to the visualization of a dynamic free surface flow interacting with a structure using a particle based simulation technique.
Park, Young-Kyu;Li, Kui. Ming.;Choi, Yoon-Hwan;Lee, Yeon-Won
Journal of the Korean Society of Visualization
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v.9
no.3
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pp.59-64
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2011
In this study the change of free surface vortex is expressed through the time volume fraction using multiphase unsteady condition in sump, because in previous studies of the pump sump did not represent the behavior of the free surface vortex exactly due to the reason it was calculated using single phase and steady condition. The reliability of the computational analysis is verified through comparing experimental results with that of present numerical analysis. Homogeneous free surface model is used to apply interactions of air and water. The results show that the free surface vortex can be identified on the isotropic surface at air volume fraction 1%~5%. The vortices make an air column from the free surface to the sump intake and are created and destroyed repeatedly. The behavior of free surface vortex at numerical analysis is quite similar to experimental test. The result of vortex motion according to time, works on a cycle.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.12
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pp.1570-1579
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2000
Finite element analysis of fluid flow with moving free surface has been carried out in two and tree dimensions. The new VOF-based numerical algorithm that has been proposed by the present authors was applied to several 2-D and 3-D free surface flow problems. The proposed free surface tracking scheme is based on two numerical tools that have been newly introduced by the present authots; the orientation vector to represent the free surface orientation in each cell and the baby-cell to determine the fluid volume flux at each cell boundary. The proposed numerical algorithm has been applied to 2-D and 3-D cavity filling and sloshing problems, which demonstrated versatility and effectiveness of the new free surface tracking scheme as well as the overall solution procedure. The proposed numerical algorithm resolved successfully the interacting free surface with each other. The simulated results demonstrated the applicability of proposed numerical algorithm to the practical problems of large free surface motion. Also, it has been demonstrated that the proposed free surface tracking scheme can be easily implemented in any irregular non-uniform grid systems and can be extended to the 3-D free surface flow problem without additional efforts.
This describes a numerical method for predicting the incompressible unsteady laminar three-dimensional flows of fluid behaviour with free-surface. The elliptic differential equations governing the flows have been linearized by means of finite-difference approximations, and the resulting equations have been solved via a fully-implicit iterative method. The free-surface is defined by the motion of a set of marker particles and interface behaviour was investigated by way of a 'Lagrangian' technique. Using the GALA concept of Spalding, the conventional mass continuity equation is modified to form a volumetric or bulk-continuity equation. The use of this bulk-continuity relation allows the hydrodynamic variables to be computed over the entire flow domain including both liquid and gas regions. Thus, the free-surface boundary conditions are imposed implicitly and the problem formulation is greatly simplified. The numerical procedure is validated by comparing the predicted results of a periodic standing waves problems with analytic solutions or experimental results from the literature. The results show that this numerical method produces accurate and physically realistic predictions of three-dimensional free-surface flows.
In the present numerical simulation of viscous free surface flow around a ship, two-fluids in-compressible Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the standard $\textsc{k}-\varepsilon$turbulence model are discretized on a regular grid by using a finite volume method. A local level-set method is introduced for capturing the free surface movement and the influence of the viscous layer and dynamic boundary condition of the free surface are implicitly considered. Partial differential equations in the level-set method are discretized with second order ENO scheme and explicit Euler scheme in the space and time integration, respectively. The computational results for the Series-60 model with $C_B=0.6$ show a good agreement with the experimental data, but more validation studies for commercial complicated hull forms are necessary.
SMAC method is, one of the numerical simulation techniques, modified from the original MAC for the time-dependent variation of fluid flows. The Navier-Stokes equation for incompressible time-dependent viscous flow is applied and, also marker particles which move with the fluid are used. Two-dimensional numerical computations of fluid flow are carried out in a virtual water tank. This paper has shown very well the movements of marker particles using SMAC method.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.51
no.5
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pp.419-428
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2014
This paper presents a numerical simulation method for the flow around advancing ships in regular waves by using a rectilinear grid system. Because the grid lines do not consist with body surface in the rectilinear grid system, the body geometries are defined by the interaction points of those grid lines and the body surface. For the satisfaction of body boundary conditions, no-slip and divergence free conditions are imposed on the body surface and body boundary cells, respectively. Meanwhile, free surface is defined with the modified marker density method. The pressure on the free surface is determined to make the pressure gradient terms of the governing equations continuous, and the velocity around the free surface is calculated with the pressure on the free surface. To validate the present numerical method, a vortex induced vibration (VIV) phenomenon and flows around an advancing Wigley III ship model in various regular waves are simulated, and the results are compared with existing and corresponding research data. Also, to check the applicability to practical ship model, flows around KRISO Container Ship (KCS) model advancing in calm water are numerically simulated. On the simulations, the trim and the sinkage are set free to compare the running attitude with some other experimental data. Moreover, flows around the KCS model in regular waves are also simulated.
Prediction of the product shape in sheet casting process is performed from the numerical simulation. A three-dimensional finite element method is used to investigate the flow behavior and to examine the effects of processing conditions on the sheet produced. Effects of inertia, gravity, surface tension and non-Newtonian viscosity on the thickness profile of the sheet are considered since the edge bead and the flow patterns in the chill roll region have great influence on the quality of the products. In the numerical simulation with free surface flows, the spine method is adopted to update the free surface, and the force-free boundary condition is imposed along the take-up plane to avoid severe singularity problems existing at the take-up plane. From the numerical results of steady isothermal flows of a generalized Newtonian fluid, it is shown that the draw ratio plays a major role in predicting the shape of the final sheet produced and the surface tension has considerable effect on the bead thickness ratio and the bead width fraction, while shear-thinning and/or tension-thickening viscosity affect the degree of neck-in.
In connection to the design of high speed vessels, the numerical simulation is carried out to make clear the property of flows and breaking phenomena around the catamaran. It is because the bradking phenome-non is closely related to the free-surface turbulent flow. The free-surface wave and transverse velocity vectors are calculated around the twin and demi hull of the catamaran. Computed results are applied to detect the appearance of sub-breaking waves around the hull. The critical condition for their appearance is studied at two Froude numbers of 0.45 and 0.95. The nu-merical analysis shows that the breaking is more serious near the twin hull rather the demi hull. To simu-late the flows, the Navier-Stokes solver is invoked with a free-surface. The computation is made only in half a domain because it is symmetric in the shape.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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