도파관유한요소법 (waveguide finite element method, WFEM)은 단면의 형상이 길이방향으로 일정한 도파관 구조물의 진동을 해석하기 위한 수치해석 기법이다. 도파관유한요소법은 2차원 단면만을 FE 모델링하여 길이방향 파동 전파를 해석하므로 기존의 유한요소법에 비해 해석 모델의 크기가 작고 연산 시간이 짧다는 장점을 가진다. 본 연구에서는 기존의 도파관유한요소법을 확장하여 내부 및 외부에 유체가 채워진 도파관 구조물에 대한 진동 해석을 수행하였다. 이를 위해 내부 유체와 도파관 구조물은 WFE로, 외부 유체는 파수경계요소 (waveguide boudnary element, WBE)로 모델링하고 이들을 연성시킨 운동방정식을 제시하였다. 이 방법의 적용 예로써 내부에 물이 채워진 몰수된 파이프의 진동 및 방사 음향 파워를 해석하였다. 내부 및 외부 유체의 유/무에 따른 분산 선도와 가진점 모빌리티 (point mobility)를 구하고 유체 연성의 효과를 살펴보았다.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제6권2호
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pp.87-93
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2013
In order to study the effect of the fluid-structure interaction (FSI) on the simulation results, the external characteristics and internal flow features of a diffuser pump were analyzed with a two-way flow solid coupling method. And the static and dynamic structure analysis of the blade was also caculated with the FEA method. The steady flow field is based on Reynolds Averaged N-S equations with standard $k-{\varepsilon}$ turbulent model, the unsteady flow field is based on the large eddy simulation, and the structure response is based on elastic transient structural dynamic equation. The results showed that the effect of FSI on the head prediction based on CFD really exists. At the same radius, the van mises stress on the nodes closed shroud and hub was larger than other nodes. A large deformation region existed near inlet side at the middle of blades. The strength of impeller satisfied the strength requirement with static stress analysis based on the fourth strength theory. The dynamic stress varied periodically with the impeller rotating. It was also found that the fundamental frequency of the dynamic stress is the rotating frequency and its harmonic frequency. The frequency of maximum stress amplitude at node 1626 was 7 times of the rotating frequency. The frequency of maximum stress amplitude at node 2328 was 14 times of the rotating frequency. No matter strength failure or fatigue failure, the root of blades near shroud is the key region to analyse.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제12권1호
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pp.569-577
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2020
Based on laboratory experiments and numerical simulations, the scale effect of Internal Solitary Wave (ISW) loads on spar platforms is investigated. First, the waveforms, loads, and torques on the spar model at a laboratory obtained by the experiments and simulations agree well with each other. Then, a prototype spar platform is simulated numerically to elucidate the scale effect. The scale effect for the horizontal forces is significant owing to the viscosity effect, whereas it is insignificant and can be neglected for the vertical forces. From the similarity point of view, the Froude number was the same for the scaled model and its prototype, while the Reynolds number increased significantly. The results show that the Morison equation with the same set of drag and inertia coefficients is not applicable to estimate the ISW loads for both the prototype and laboratory scale model. The coefficients should be modified to account for the scale effect. In conclusion, the dimensionless vertical forces on experimental models can be applied to the prototype, but the dimensionless horizontal forces of the experimental model are larger than those of the prototype, which will lead to overestimation of the horizontal force of the prototype if direct conversion is implemented.
The equations of motion of a submarine pipeline with the internal flowing fluid and subject to hydrodynamic loadings are derived by using Hamilton's principle. Coupling between the bending and the longitudinal extension due to axial load and thermal expansion are considered. Coupling between the twisting and extension are not considered. The equations of motion are well agreed with the results which are derived by the vector method.
In the current code design, the use of a uniform internal pressure coefficient of cooling towers as internal suction cannot reflect the 3D characteristics of flow field inside the tower body with different ventilation rate of shutters. Moreover, extreme weather such as heavy rain also has a direct impact on aerodynamic force on the internal surface and changes the turbulence effect of pulsating wind. In this study, the world's tallest cooling tower under construction, which stands 210m, is taken as the research object. The algorithm for two-way coupling between wind and rain is adopted. Simulation of wind field and raindrops is performed iteratively using continuous phase and discrete phase models, respectively, under the general principles of computational fluid dynamics (CFD). Firstly, the rule of influence of 9 combinations of wind speed and rainfall intensity on the volume of wind-driven rain, additional action force of raindrops and equivalent internal pressure coefficient of the tower body is analyzed. The combination of wind velocity and rainfall intensity that is most unfavorable to the cooling tower in terms of distribution of internal pressure coefficient is identified. On this basis, the wind/rain loads, distribution of aerodynamic force and working mechanism of internal pressures of the cooling tower under the most unfavorable working condition are compared between the four ventilation rates of shutters (0%, 15%, 30% and 100%). The results show that the amount of raindrops captured by the internal surface of the tower decreases as the wind velocity increases, and increases along with the rainfall intensity and ventilation rate of the shutters. The maximum value of rain-induced pressure coefficient is 0.013. The research findings lay the basis for determining the precise values of internal surface loads of cooling tower under extreme weather conditions.
Seo Young-Soo;Jeong Weui-Bong;Yoo Wan-Suk;Jeong Ho-Kyeong
Journal of Mechanical Science and Technology
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제19권2호
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pp.625-633
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2005
A finite element vibration analysis of thin-walled cylindrical shells conveying fluid with uniform velocity is presented. The dynamic behavior of thin-walled shell is based on the Sanders' theory and the fluid in cylindrical shell is considered as inviscid and incompressible so that it satisfies the Laplace's equation. A beam-like shell element is used to reduce the number of degrees-of-freedom by restricting to the circumferential modes of cylindrical shell. An estimation of frequency response function of the pipe considering of the coupled effects of the internal fluid is presented. A dynamic coupling condition of the interface between the fluid and the structure is used. The effective thickness of fluid according to circumferential modes is also discussed. The influence of fluid velocity on the frequency response function is illustrated and discussed. The results by this method are compared with published results and those by commercial tools.
A method for the dynamic analysis of thin-walled cylindrical shell conveying steady fluid flow presents. The dynamics of thin-walled shell is based on Sanders' theory and the fluid flow in cylindrical shell is treated inviscid, incompressible fluid. A dynamic coupling conditions at fluid-structure interface is used. The equations of motion are solved by a finite element method and validated by comparing the natural frequency with other published results and Nastran. The influence of fluid velocity on the frequency response function is illustrated and discussed.
This paper presents a numerical method to solve the ship motion coupled with internal fluid flow. Physically the internal fluid motion is coupled with the ship motion. Hitherto the previous numerical results of the coupled motion predict only the general tendency with experiments. The main reason of inaccuracy is that the coupled dynamics of ship motion and internal water motion is not accurately accounted. In this study CFD technique based on VOF is employed for the accurate analysis of flooding water motion. Some cases of the 24th ITTC stability committee's benchmark.study for tanker with internal fluid are analyzed by coupling the ship motion and sloshing dynamics. The calculated ship motion is compared with the experimental result to validate the coupled scheme and is in agreement with the experimental result.
In this paper, we present a numerical model for fluid-structure interaction between structure built of porous media and acoustic fluid, which provides both pore pressure inside porous media and hydrodynamic pressures and hydrodynamic forces exerted on the upstream face of the structure in an unified manner and simplifies fluid-structure interaction problems. The first original feature of the proposed model concerns the structure built of saturated porous medium whose response is obtained with coupled discrete beam lattice model, which is based on Voronoi cell representation with cohesive links as linear elastic Timoshenko beam finite elements. The motion of the pore fluid is governed by Darcy's law, and the coupling between the solid phase and the pore fluid is introduced in the model through Biot's porous media theory. The pore pressure field is discretized with CST (Constant Strain Triangle) finite elements, which coincide with Delaunay triangles. By exploiting Hammer quadrature rule for numerical integration on CST elements, and duality property between Voronoi diagram and Delaunay triangulation, the numerical implementation of the coupling results with an additional pore pressure degree of freedom placed at each node of a Timoshenko beam finite element. The second original point of the model concerns the motion of the outside fluid which is modeled with mixed displacement/pressure based formulation. The chosen finite element representations of the structure response and the outside fluid motion ensures for the structure and fluid finite elements to be connected directly at the common nodes at the fluid-structure interface, because they share both the displacement and the pressure degrees of freedom. Numerical simulations presented in this paper show an excellent agreement between the numerically obtained results and the analytical solutions.
The effects of internal fluid motion have to be considered in the analysis of liquid storage containers. Therefore this thesis developed a three-dimensional boundary element-finite element method for the analysis of rectangular liquid storage containers. The irrotational motion of inviscid and incompressible ideal fluid is modeled by using boundary elements and the motion of structure by finite elements. Coupling is performed by using compatibility and equilibrium conditions along the interface. Dynamic response characteristics of rectangular liquid storage containers such as sloshing motion, hydrodynamic pressure, displacement by fluid-structure interaction are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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