International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제8권3호
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pp.277-300
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2016
The motion of a floating body and the free surface flow are the most important design considerations for ships and offshore platforms. In the present research, a numerical method is developed to simulate the motion of a floating body and the free surface using a fixed rectilinear grid system. The governing equations are the continuity equation and Naviere-Stokes equations. The boundary of a moving body is defined by the interaction points of the body surface and the centerline of a grid. To simulate the free surface the Modified Marker-Density method is implemented. Ships advancing in regular waves, the interaction of waves by a fixed circular cylinder array and the response amplitude operators of an offshore platform are simulated and the results are compared with published research data to check the applicability. The numerical method developed in this research gives results good enough for application to the initial design stage.
Numerical simulations have been carried out for a 138K LNG Carrier (KLNG) model ship with free surface, using WAVIS 2.0 and Fluent 6.3.26 with various $y^+$ values and different grid densities. Level-set method for free surface capturing was adopted in WAVIS, while VOF has been used in Fluent. The calculated results were compared with the experiment data. Resistance coefficient, wave pattern, wave profile along the hull surface, axial velocity contours and transverse vectors had been analyzed. When the first $y^+$ value was fixed at 60, the simulation results from both WAVIS and Fluent were improved as the number of grids increased. The convergence time of WAVIS was much shorter than that of Fluent. Furthermore, WAVIS predicted the velocity field and the wave profile along the hull surface better than Fluent. However, Fluent gave better wave patterns.
Numerical schemes for spacing and time are tested to accurately simulate the wave propagation. The tested numerical schemesinclude 2nd-order central differencing, l-order upwind scheme, 2nd-order Leith scheme, 3rd-order MUSCLE, QUICK and QUICKEST schemes in spacing and the Euler and 4th-order Runge-Kutta(R-K) schemes in time. It is seen that more accurate results are expected when the higher-order schemes, especially the schemes combined with a TVD control limiter, are used for solving the wave equation. The 3rd-order upwind scheme with limiter and the 4th-order R-K scheme in tim£ are finally applied to the wave-making simulation in a digital wave tank.
선미파의 점성 상호작용과 수중고속선의 sub-breaking 현상을 해석하기 위하여 자유표면 유통을 수치적으로 시뮬레이션하였다. Navier-Stokes 방정식을 풀었으며 유한차분법, 물체적합좌표계, 벽법칙, 삼중격자법을 적용하였다. S-103 모형을 대상으로 준쇄파의 수치결과를 실험과 비교하였고 준쇄파 발생조건을 수중 고속선인 3차원 회전체에 대해 적용하였다. 준쇄파 해석결과에 의하면 M/Us 구배가 잠김 깊이에 영향을 미치고 있음을 알 수 있었다. 또한 선수파가 박리에 영향을 미쳐 선미파를 변형시킴을 확인하였다.
For the tracking of three dimensional free surface motions, a method referred to as the Volume of Fluid(VOF) algorithm is extended. In order to calculate the slope of three dimensional free surface which is the most important for the advection algorithm that decides the amount of fluid from cell to cell and for the application of free surface boundary condition, a simple method utilizing two dimensional slope informations is introduced. The extended algroithm is tested by demonstrating the simulation of a propagating sinusoidal wave through the channel whose width changes abruptly.
계단형 보와 여수로 같은 수공구조물의 상부에서는 스키밍 흐름 그리고 직하류부에서는 정상파를 포함하는 도수 현상인 파형흐름과 같이 다양한 형태의 흐름이 발생한다. 연구에서는 하이브리드 RANS-LES 난류 모델링 기법과 자유수면 변동을 해석하기 위한 VOF (volume of fluid)기법을 병합한 3차원 부정류 수치모형을 이용하여 계단형 보가 설치된 사각형 개수로에서 발생하는 파형흐름과 스키밍 흐름을 포함하는 난류흐름을 수치모의 하였다. 시간평균 수치모의 결과와 기존 수리모형 실험 결과를 비교분석한 결과, 수치모의는 보 하류부에서의 평균유속분포의 변화, 정체파와 수면와류를 포함하는 파형흐름의 전반적인 수면 변화, 파형흐름의 파고와 길이, 정체파 하부에서 발생하는 재순환 흐름 영역의 길이 등을 양호하게 잘 재현하는 것으로 나타났다. 수치모의를 통해서 자유수면과 순간 유속 벡터의 변동, 전단응력과 난류에너지의 분포 그리고 3차원 난류조직구조와 총압력분포의 형태와 변동 자료를 제시하여 스키밍 흐름과 파형흐름 영역에서의 독특한 흐름 거동 특성을 규명하였다.
본 연구에서는 자유표면을 갖는 대규모의 환경유동의 해를 구하는데 있어 비정수압의 효과를 고려하는 새로운 계산 기법을 제시하였다. Sigma 좌표계에서 시간은 전진차분으로, 공간은 중간차분 및 풍상차분을 혼합하여 2단계 해법을 도입하였다. 계산기법의 타당성과 유효성을 검증하기 위하여, 자유표면을 갖는 정상유동과 비정상유동에 대한 전형적인 예를 설정하여 정수압 계산과 비정수압 계산을 수행하고 이들을 비교하였다. 계산결과 복잡한 해저지형을 갖는 자유표면 유동에 있어, 지정수압효과가 무시할 수 없는 유동영역이 존재함이 입증되었으며, MAC기법과 같은 3차원 유체동역학적 기법을 적용하기에는 비경제적인 문제에 대해 본 계산기법이 매우 유효하게 적용될 수 있다는 가능성이 입증되었다.
The viscous interaction of stern wave is studied by simulating the free-surface flows, including sub-breaking phenomena around a high speed catamaran hull advancing on calm water. The Navier-Stokes equation is solved by a finite difference method where the body-fitted coordinate system, the wall function and the triple-grid system are invoked. The numerical appearance of the sub-breaking waves is qualitatively supported by the experimental observation They are also applied to study precisely on the stern flow of S-103 as to which extensive experimental data are available. For the catamaran, computations are carried out for the mono ana twin hulls.
A two-dimensional time-domain, potential-theory-based fully nonlinear numerical wave tank (NWT) was developed by using boundary element method and the mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) approach for free-surface node treatment. The NWT was applied to prediction of primary wave energy conversion efficiency of a bottom-mounted oscillating water column (OWC) wave power device. The nonlinear free-surface condition inside the chamber was specially devised to represent the pneumatic pressure due to airflow velocity and viscous energy loss at the chamber entrance due to wave column motion. The newly developed NWT technique was verified through comparison with given experimental results. The maximum energy extraction was estimated with various chamber-air duct volume ratios.
This paper describes a numerical study to make clear the characteristics of flow around a high speed catamaran hull advancing on calm water. The simulation is carried out at Froude number of 0.5 with a separation to length rations of 0.2 to 0.5. To simulate the flows, the Navier-Stokes solver is employed in which the free surface condition is included. Computations are performed in a rectangular grid system based grid system based on the Marker & Cell method. For the validation, the computation results are compared with the experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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