International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제14권2호
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pp.122-132
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2013
In this research the development of unstructured grid discretization solution techniques is presented. The purpose is to describe such a conservative discretization scheme applied for experimental validation work. The objective of this paper is to better establish the effects of mesh generation techniques on velocity fields and particle deposition patterns to determine the optimal aerodynamic characteristics. In order to achieve the objective, the mesh surface discretization approaches used the VLA prototype manufacturing tolerance zone of the outer surface. There were 3 schemes for this discretization study implementation. They are solver validation, grid convergence study and surface tolerance study. A solver validation work was implemented for the simple 2D and 3D model to get the optimum solver for the VLA model. A grid convergence study was also conducted with a different growth factor and cell spacing, the amount of mesh can be controlled. With several amount of mesh we can get the converged amount of mesh compared to experimental data. The density around surface model can be calculated by controlling the number of element in every important and sensitive surface area of the model. The solver validation work result provided the optimum solver to employ in the VLA model analysis calculation. The convergence study approach result indicated that the aerodynamic trend characteristic was captured smooth enough compared with the experimental data. During the surface tolerance scheme, it could catch the aerodynamics data of the experiment data. The discretization studies made the validation work more efficient way to achieve the purpose of this paper.
본 연구는 격자수, 첫 번째 격자까지의 거리($Y_P+$), 난류모델 그리고 이산화 방법에 따른 해의 변화량을 조사하였다. 대상선박은 KVLCC이며, 격자구성과 유동해석은 상용코드인 Gridgen V15와 FLUENT를 사용하였다. 검토는 2가지 파트로 나누어서 수행하였다. 첫 번째 파트는 격자수, 난류모델 그리고 이산화 방법의 조합에 따른 해의 영향성을 평가하였다. 두 번째 파트는 적합한 $Y_P+$ 선정에 초점을 두었다. 격자수와 이산화 방법이 동일한 경우 마찰저항은 난류모델에 따라 약 1 % 내에서 차이를 보였으나, 압력저항은 약 9 %의 큰 차이를 보였다. $Y_P+$와 이산화 방법이 동일한 경우 $Y_P+$를 30과 50으로 설정하였을 때 마찰저항은 난류모델에 따라 약 1 % 내에서 차이를 보였으나, 100에서는 약 3 % 차이를 보였다. 반면, 압력저항은 $Y_P+$값에 무관하게 난류모델에 따라 약 10 % 차이를 보였다. 난류모델과 이산화 방법이 동일한 경우 격자 수 변화 따라 마찰저항, 압력저항 그리고 전 저항 모두 큰 차이를 보이지 않았다. 난류모델과 이산화 방법이 동일한 경우 $Y_P+$의 변화에 따라 마찰저항은 5~8 %의 큰 차이를 보였고, 압력저항은 큰 차이를 보이지 않았다.
A Numerical study of laminar vortex-shedding past a circular cylinder has been performed widely by many researchers. Many factors, such as numerical technique and domain size, number and shape of grid, affected predicting vortex shedding and Strouhal number. In the present study, the effect of convection scheme, time discretization methods and grid dependence were investigated. The present paper presents the finite volume solution of unsteady flow past circular cylinder at Re=200, 400. The Strouhal number was predicted using UDS, CDS, Hybrid, Power-law, LUDS, QUICK scheme for convection term, implicit and crank-nicolson methods for time discretization. The grid dependence was investigated using H-type mesh and O-type mesh. It also studied that the effect of mesh size of the nearest adjacent grid of circular cylinder. The effect of convection scheme is greater than the effect of time discretization on predicting Strouhal. It has been found that the predicted Strouhal number changed with mesh size and shape.
Purpose: Heat transfers phenomena are described by the second order partial differential equation and its boundary conditions. In a three-dimensional structure of a building, the heat transfer phenomena generally include more than one material, and thus, become complicate. The analytic solutions are useful to understand heat transfer phenomena, but they can hardly be applied in engineering or design problems. Engineers and designers have generally been forced to use numerical methods providing reliable results. Finite volume methods with the unstructured grid system is only the suitable means of the analysis for the complex and arbitrary domains. Method: To obtain an numerical solution, a discretization method, which approximates the differential equations, and the interpolation methods for temperature and heat flux between two or more materials are required. The discretization methods are applied to small domains in space and time, and these numerical solutions form the descretized equations provide approximated solutions in both space and time. The accuracy of numerical solutions is dependent on the quality of discretizations and size of cells used. The higher accuracy, the higher numerical resources are required. The balance between the accuracy and difficulty of the numerical methods is critical for the success of the numerical analysis. A simple and easy interpolation methods among multiple materials are developed. The linear equations are solved with the BiCGSTAB being a effective matrix solver. Result: This study provides an overview of discretization methods, boundary interface, and matrix solver for the 3-dimensional numerical heat transfer including two materials.
A conservative pressure-based finite-volume numerical method has been developed for computing flow and heat transfer by using an unstructured grid system. The method admits arbitrary convex polyhedra. Care is taken in the discretization and solution procedures to avoid formulations that are cell-shape-specific. A collocated variable arrangement formulation is developed, i.e. all dependent variables such as pressure and velocity are stored at cell centers. Gradients required for the evaluation of diffusion fluxes and for second-order-accurate convective operators are found by a novel second-order accurate spatial discretization. Momentum interpolation is used to prevent pressure checkerboarding and the SIMPLE algorithm is used for pressure-velocity coupling. The resulting set of coupled nonlinear algebraic equations is solved by employing a segregated approach, leading to a decoupled set of linear algebraic equations fer each dependent variable, with a sparse diagonally dominant coefficient matrix. These equations are solved by an iterative preconditioned conjugate gradient solver which retains the sparsity of the coefficient matrix, thus achieving a very efficient use of computer resources.
In order to reduce the excessive numerical dissipation, the new spatial discretization scheme is introduced. The present method in this paper has the formula that has an additional procedure of defining transferred properties at a cell-interface, based on AUSMPW+. The newly defined transferred property could eliminate numerical dissipation effectively in non-flow aligned grid system. In addition, the present method guarantees the monotonic characteristic in capturing a discontinuity. Through a stationary or moving contact discontinuity and a stationary or moving shock discontinuity, a vortex discontinuity and shock wave/ boundary layer interaction, it is verified that the accuracy of the present method is improved.
Various discretiation methods of Laplacian operator in the Pressure-Poisson equation are investigated for the solution of incompressible Navier-Stokes equations using the non-staggered grid. Laplacian operators previously proposed by other researchers are applied to a Driven-Cavity problem. The computational results are compared with those of Ghia. The results show the characteristics of the discrete Laplacian operators.
This article proposes a pressure based method for predicting flows at all speeds. The compressible SIMPLE algorithm is extended to unstructured grid framework. Convection terms are discretized using second-order scheme with deferred correction approach. Diffusion term discretization is based on structured grid analogy that can be easily adopted to hybrid unstructured grid solver. This method also uses node centered scheme with edge based data structure for memory and computing time efficiency of arbitrary grid types. Both incompressible and compressible benchmark problems are solved using the above methodology. The demonstration of this method is extended to slip flow problem that has low Reynolds number but compressibility effect. It is shown that the proposed method can improve efficiency in memory usage and computing time without losing any accuracy.
Effect of the nonuniform grid on the two-dimensional transport equation was investigated in terms of theoretical analysis and finite difference method (FDM). The nonuniform grid having a typical structure of the numerical weather forecast model was incorporated in the vertical direction, while the uniform grid was used in the zonal direction. The staggered and non-staggered grid were placed in the vertical and zonal direction, respectively. Time stepping was performed with the third-order Runge Kutta scheme. An error analysis of the spatial discretization on the nonuniform grid was carried out, which indicated that the combined effect of the nonuniform grid and advection velocity produced either numerical diffusion or numerical adverse-diffusion. An analytic function is used for the quantitative evaluation of the errors associated with the discretized transport equation. Numerical experiments with the non-uniformity of vertical grid were found to support the analysis.
Automatic mesh generation procedures applied to industrial now problems lead to complex mesh topologies where usually no special considerations to mesh resolution are taken. In the present study a fast and flexible solution algorithm in combination with generalized higher order discretization schemes is presented and its application to intake port calculation is demonstrated.
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