This paper presents the minimum submergence depth of an underwater vehicle that can remove the effect of free surface on the resistance of the underwater vehicle. The total resistance of the underwater vehicle in fully submerged modes comprises only viscous pressure and friction resistances, and no wave resistance should be present, based on the free surface effect. In a model test performed in this study, the resistance is measured in the range of 2 to 10 kn (1.03-5.14 m/s) under depth conditions of 850 mm (2.6D) and 1250 mm (3.8D), respectively, and the residual resistance coefficients are compared. Subsequently, resistance analysis is performed via computational fluid dynamics (CFD) simulation to investigate the free surface effect based on various submergence depths. First, the numerical analysis results in the absence of free surface conditions and the model test results are compared to show the tendency of the resistance coefficients and the reliability of the CFD simulation results. Subsequently, numerical analysis results of submergence depth presented in a reference paper are compared with the model test results. These two sets of results confirm that the resistance increased due to the free surface effect as the high speed and depth approach the free surface. Therefore, to identify a fully submerged depth that is not affected by the free surface effect, case studies for various depths are conducted via numerical analysis, and a correlation for the fully submerged depth based on the Froude number of an underwater vehicle is derived.
Selected Papers of The Society of Naval Architects of Korea
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v.2
no.1
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pp.18-28
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1994
In the vibration analysis of submerged or floating bodies such as ships and offshore structures, the coupled system between fluid and structure should be considered using the compatibility conditions on the wetted surface. It is well known that the hydroelastic vibration analysis of structures in contact with fluid can be done by applying the finite element method(FEM) to structures and the boundary element method(BEM) to the fluid domain. However, such an approach is impractical due to the characteristics of the fully coupled added mass matrix of fluid on the entire wetted surface. To overcome this difficulty, an efficient approach based on a reanalysis scheme is proposed in this paper. The proposed method can be applied for cases of higher local modes and beam-like modes for which three-dimensional reduction factors are not known. The three dimensional reduction factors are not needled and thus the restrictions can be removed in the analyses of non-beam like modes or local vibration modes by considering fluid-structure interaction. The validity and calculation efficiency of the proposed method are proved through numerical examples.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.38
no.10
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pp.1217-1224
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2014
This paper provides a practical scaling method to solve an old problem for scaling and developing the speed and resistance of a model to full-scale submarine in fully submerged underwater test. In every experimental test in towing tank, water tunnel and wind tunnel, in the first step, the speed of a model should be scaled to the full-scale vessel (ship or submarine). In the second step, the obtained resistance of the model should be developed. For submarine, there are two modes of movement: surface and submerged mode. There is no matter in surface mode because, according to Froude's law, the ratio of speed of the model to the full-scale vessel is proportional to the square root of lengths (length of the model on the length of the vessel). This leads to a reasonable speed and is not so much for the model that is applicable in the laboratory. The main problem is in submerged mode (fully submerged) that there isn't surface wave effect and therefore, Froude's law couldn't be used. Reynold's similarity is actually impossible to implement because it leads to very high speeds of the model that is impossible in a laboratory and inside the water. According to Reynold's similarity, the ratio of speed of the model to the full-scale vessel is proportional to the ratio of the full-scale length to the model length that leads to a too high speed. This paper proves that there is no need for exact Reynold's similarity because after a special Reynolds, resistance coefficient remains constant. Therefore, there is not compulsion for high speeds of the model. For proving this finding, three groups of results are presented: two cases are based on CFD method, and one case is based on the model test in towing tank. All these three results are presented for three different shapes that can show; this finding is independent of the shapes and geometries. For CFD method, Flow Vision software has been used.
This paper considers a two-dimensional hydrofoil that is fully submerged and oscillating with forward speed. The flow field is assumed to be a propagating vertical velocity field. Using the perturbation theory, the problem is linearized, and the leading-order lift force is surveyed. The thrust force is analytically derived as the second-order horizontal force. As an example, the lift and thrust for a flapping flat plate in heaving and pitching modes are analyzed. The parameters affecting the thrust are listed. The thrust is expressed in terms of the quadratic transfer functions in relation to the disturbances. The quadratic transfer functions are studied parametrically to assess the most favorable thrust.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.29
no.1
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pp.135-142
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1992
In the vibration analysis or submerged of floating bodies such as ship and offshore structures, the coupled system between structure and fluid satisfying the compatibility conditions on the wetted surface should be considered. It is well known that the hydroelastic analysis of structural vibration in contact with fluid can be solved by applying the finite element method to structure and the boundary element method to fluid domain. However such an approach is impractical, because fluid added mass matrix is fully coupled on whole wetted surface. To overcome this shortcoming, an efficient approach based on reanalysis scheme is proposed in this paper. The proposed method can be applied for cases with higher modes lacking 3-D reduction factor J as well as beam-like modes of marine structures. It is well known the traditional method using 2-D added mass and J-factor is good only for beam-like modes with reliable J values. The validity and the calculation efficiency of the proposed method are proved with numerical examples.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.32
no.1
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pp.118-131
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1995
The shock fracture analysis for the structures of navy vessels subject to underwater explosions or of high speed vessels frequently subject to impact loads has been carried out in two steps such as the global or macro analysis and the fine or micro analysis. In the macro analysis, Doubly Asymptotic Approximation(DAA) has been applied. The three main failure modes of structure members subject to strong shock loading are late time fracture mode such as plastic large deformation mainly due to dynamic plastic buckling, and the early time fracture mode such as tensile tearing failure or transverse shear failure. In this paper, the tensile tearing failure mode is numerically analyzed for the micro analysis by calculating the dynamic stress intensity factor $K_I(t)$, which shows the relation between stress wave and crack propagation on the longitudinal stiffener of the model. Especially, in calculating this factor, the numerical caustic method developed from shadow optical method of caustic well known as experimental method is used. The fully submerged vessel is adopted for the macro analysis at first, of which the longitudinal stiffener, subject to early shock pressure time history calculated in macro analysis, is adopted for the micro analysis.
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