The fluid-structure interaction of a towed body is simulated using a developed code, which is based on the flux-difference splitting scheme on the hybrid Cartesian/immersed boundary method. To improve the stability in the coupling between the fluid and structure domains, a scheme is used, in which the effects of structure deformation are treated implicitly. The developed code is validated for the fluid-structure interaction problem through comparisons with other results on the vortex-induced vibration of elastically mounted cylinders. To simulate behavior of a towed body, an asymmetric tension modelling for a towing cable is suggested. In the suggested model, the tension is proportional to the elongation of the cable, but the cable has no effect on the body motion whenever the distance between the endpoints of the cable is smaller than the original length of the cable. The fluid-structure interactions of a towed body are simulated on the basis of different parameters of the towing cables. It is observed that the suggested tension model predicts the snapping for a shorter towing cable, which is in accordance with the reported results.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.30
no.2
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pp.58-67
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2018
This study investigated the effect of variation in the angle of the elliptic cylinder as well as the presence of circular cylinder on natural convection inside a square enclosure. The Rayleigh number was varied between $10^3$ and $10^6$, and the Prandtl number was fixed to 0.7. In the present study, the angle of the elliptic cylinder was changed from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$, and the perimeter of the elliptic cylinder was same as that of the circular cylinder. The immersed boundary method was used to capture the virtual wall boundary of the inner cylinder. With the increasing angle of the elliptic cylinder, the surface-averaged Nusselt numbers on the cylinder and the enclosure increased. In the Rayleigh number range considered in the present study, the surface-averaged Nusselt number on the elliptic cylinder over = $45^{\circ}$ was higher than that of the circular cylinder. The effect of elliptic cylinder's angle on natural convection in the enclosure was analyzed according to the flow and thermal fields, and the distributions of the Nusselt number.
Three-dimensional characteristics of fluid flow and heat transfer around a wavy circular cylinder having sinusoidal variation in cross sectional area along the spanwise direction are numerically investigated using the immersed boundary method. The three different wavelengths of ${\pi}/4$, ${\pi}/3$ and ${\pi}/2$ and at the fixed wavy amplitude of 0.1 have been considered to investigate the effects of waviness on especially the forced convection heat transfer around a wavy cylinder when the Reynolds and Prandtl numbers are 300 and 0.71, respectively. The present computational results for a wavy cylinder are compared with those for a smooth cylinder. The time- and total surface-averaged Nusselt number for a wavy cylinder with is larger than that for a smooth cylinder, whereas that with ${\lambda}={\pi}/4$ and ${\pi}/3$ is smaller than that for a smooth cylinder. However, because the surface area exposed to heat transfer for a wavy cylinder is larger than that for a smooth cylinder, the total heat transfer rate for a wavy cylinder with different wavelengths of ${\lambda}={\pi}/4$, ${\pi}/3$ and ${\pi}/2$ is larger than that for a smooth cylinder.
The hybrid Cartesian/immersed boundary method is applied to simulate fluid-structure interaction of a two-dimensional orbiting flexible foil. The elastic deformation of the flexible foil is modelled based on the dynamic equation of a thin-plate. At each time step, the locations and velocities of the Lagrangian control points on the flexible foil are used to reconstruct the boundary conditions for the flow solver based on the hybrid staggered/non-staggered grid. To test the developed code, the flow fields around a flapping elliptical wing are calculated. The time history of the vertical force component and the evolution of the vorticity fields are compared with recent other computations and good agreement is achieved. For the orbiting flexible foil, the vorticity fields are compared with those of the case without the deformation. The combined effects of the angle of attack and the orbit on the deformation are investigated. The grid independency study is carried out for the computed time history of the deformation at the tip.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.2
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pp.111-117
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2013
A valveless pump consisting of a pumping chamber with an elastic tube was simulated using an immersed boundary method. The interaction between the motion of the elastic tube and the pumping chamber generated a net flow toward the outlet through a full cycle of the pump. The net flow rate of the valveless pump was examined by varying the stretching coefficient, bending coefficient, and aspect ratio of the elastic tube. Photographs of the fluid velocity vectors and the wave motions of the elastic tube were examined over one cycle of the pump to gain a better understanding of the mechanism underlying the valveless pump. The relationship between the gap in the elastic tube and the average flow rate of the pump was analyzed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.33
no.5
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pp.349-357
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2009
Effect of computational domain size in simulating of periodic obstacle flow has been investigated for the flow past tube banks. Reynolds number, defined by freestream velocity ($U_{\infty}$) and cylinder diameter (d), was fixed as 200, and center-to-center distance (P) as 1.5d. In-line square array and staggered square array were considered. Drag coefficient, lift coefficient and Strouhal number were calculated depending on domain size. Circular cylinders were implemented on a Cartesian grid system by using an immersed boundary method. Boundary condition is periodic in both streamwise and lateral directions. Previous studies in literature often use a square domain with a side length of P, which contains only one cylinder. However, this study reveals that the domain size is improper. Especially, RMS values of flow-induced forces are most sensitive to the domain size.
In this study, we present a multidimensional open system for valveless pumping (VP). This system consists of an elastic tube connected to two open tanks filled with a fluid under gravity. The two-dimensional elastic tube model is constructed based on the immersed boundary method, and the tank model is governed by a system of ordinary differential equations based on the work-energy principle. The flows into and out of the elastic tube are modeled in terms of the source/sink patches inside the tube. The fluid dynamics of this system is generated by the periodic compress-and-release action applied to an asymmetric region of the elastic tube. We have developed an algorithm to couple these partial differential equations and ordinary differential equations using the pressure-flow relationship and the linearity of the discretized Navier-Stokes equations. We have observed the most important feature of VP, namely, the existence of a unidirectional net flow in the system. Our computations are focused on the factors that strongly influence the occurrence of unidirectional flows, for example, the frequency, compression duration, and location of pumping. Based on these investigations, some case studies are performed to observe the details of the ow features.
In this study, we consider the characteristics of channel flow in the presence of an infinite streamwise array of equispaced identical rotating circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall for some selected angular speeds. An immersed boundary method was employed to facilitate implementing the cylinders on a Cartesian grid system. No-slip condition is employed at all solid boundaries including the cylinders, and the flow is assumed to be periodic in the streamwise direction. The presence of the rotating circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to increase of mean friction on the channel walls. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of rotating cylinders to modify flow topology, which might be used to enhance heat transfer on the channel walls.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.3
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pp.260-266
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2011
For long slender offshore structures, such as cables and pipe lines, their interaction with surrounding fluid flow becomes an important issue for global design of ocean systems. We employ a long circular cylinder as a representative case of slender offshore structure. A flexibly mounted cylinder in cross-flow generates complex vortex shedding and results in oscillation of the structure. In this paper, flow behind a circular cylinder at Re=100 is simulated. The vortex shedding pattern and flow induced motion are examined in the cross flow configuration as well as with various yaw-angled configurations. The "Lock-in" phenomenon is also observed when reduced velocity is approximately 4.0. The MAC Grid system, which is the typical grid system for Cartesian mesh and pressure correction methods, are used for solving the incompressible Navier-Stokes equations. Predictor/Corrector method is applied for obtaining a non-linear response of structure at the flexibly mounted. The existance and motion of the body is represented by the immersed boundary technique.
Vortex-induced vibration of three circular cylinders (each of diameter D) in an equilateral triangular arrangement is investigated using the immersed boundary method. The cylinders, with one placed upstream and the other two side-by-side downstream, are free to vibrate in the cross-flow direction. The cylinder center-to-center spacing L is adopted as L/D = 2.0. Other parameters include the Reynolds number Re = 100, mass ratio $m^*=2.0$, reduced velocity $U_r=2{\sim}15$ and damping ratio ${\zeta}=0$. Cylinder vibration responses are dependent on $U_r$ and classified into five regimes, i.e. Regime I ($U_r{\leq}3.2$), Regime II ($3.2<U_r{\leq}5.0$), Regime III ($5.0<U_r{\leq}6.4$), Regime IV ($6.4<U_r{\leq}9.2$) and Regime V ($U_r>9.2$). Different facets of vibration amplitude, hydrodynamic forces, wake patterns and displacement spectra are extracted and presented in detail for each regime.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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