The effect of the Dirichlet boundary condition for the redistance equation of level set method on the solutionof sloshing problem is investigated by adopting four Dirichlet boundary conditions. For the solution of the incompressible Navier-Stokes equations, P1P1 four-step fractional finite element method is employed and a least-square finite element method is used for the solutions of the two hyperbolic type equations of level set method; advection and redistance equation. ALE (Arbitrary Lagrangian Eulerian) method is used to deal with a moving computational domain. It has been shown that the free surface motion in a sloshing tank is strongly dependent on the type of the Dirichlet boundary condition and the results of broken dam and sloshing problems using various Dirichlet boundary conditions are discussed and compared with the existing experimental results.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.6
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pp.675-682
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2010
The flood impact pressure acting on a vertical wall resulting from a dam-breaking problem is simulated using a navier-Stokes(N-S) solver. The N-S solver uses Eulerian Finite Volume Method(FVM) along with Volume Of Fluid(VOF) method for 2-D incompressible free surface flows. A Split Lagrangian Advection(SLA) scheme for VOF method is implemented in this paper. The SLA scheme is developed based on an algorithm of Piecewise Linear Interface Calculation(PLIC). The coupling between the continuity and momentum equations is affected by using a well-known Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) algorithm. Several two-dimensional numerical simulations of the dam-breaking problem are presented to validate the accuracy and demonstrate the capability of the present algorithm. The significance of the time step and grid resolution are also discussed. The computational results are compared with experimental data and with computations by other numerical methods. The results showed a favorable agreement of water impact pressure as well as the global fluid motion.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.28
no.5B
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pp.559-573
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2008
In this study, we newly proposed 3-D nonlinear wave driver utilizing the Navier-Stokes Eq. the numerical integration of which is carried out using SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), an internal wave generation with the source function of Gaussian distribution and an energy absorbing layer. For the verification of new 3-D nonlinear wave driver, we numerically simulate the sloshing problem within a parabolic water basin triggered by a Gaussian hump and uniformly inclined water surface by Thacker (1981). It turns out that the qualitative behavior of sloshing caused by relaxing the external force which makes a free surface convex or uniformly inclined is successfully simulated even though phase error is visible and an inundation height shrinks as numerical simulation more proceeds. For the more severe test, we also simulate the nonlinear shoaling and refraction over uniform beach of wedge shape. It is shown that numerically simulated waves are less refracted than the linear counterpart by Hamiltonian ray theory due to nonlinearity, energy dissipation at the bottom and side walls, energy loss induced by breaking, and the hydraulic jump occurring when breaking waves encounter a down-rush by the preceding wave.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.28
no.1
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pp.60-68
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1991
The updated Lagrangian Finite Element Method is introduced to analyse rigid body-fluid impact problem which is characterized by incompressible Navier-Stokes equations and impact-contact conditions between free surface and rigid body. For the convenience of numerical computation, velocity fields are splinted into vicous and pressure parts, and then the governing equations and boundary conditions are decomposed in accordance with the decomposition. However, Viscous stresses acting an the solid boundaries are neglected on the assumption that very small velocity gradients may occur during extremely small time interval of the impact. Four coded quadrilateral elements are used to discretize the space domain and the fully explicit time-marching algorithm is employed with a reasonably small time step. At the beginning of each time step, contact velocity of the rigid body is computed from the momentum balance between the body and the fluid. The velocity field is then computed to satisfy the discretized equations of motions and incompressibility and contact constraints as well as an exact free surface boundary condition. At the end of each time step, the fluid domain is updated from the velocity field. In the present time stepping numerical analysis, behaviour of the free surface near the body can be observed without any difficulty which is very important in the water impact problem. The applicability of the algorithm is illustrated by a wedge type falling body problem. The numerical solutions for time-varying pressure distributions and impact loadings acting ion the surface are obtained.
In this study, nonlinear vibrations and dynamic instabilities of a smart embedded micro shell conveying varied fluid flow and subjected to the combined electro-thermo-mechanical loadings are investigated. With the aim of designing new hydraulic sensors and actuators, the piezoelectric materials are employed for the body and the effects of applying electric field on the stability of the system as well as the induced voltage due to the dynamic behavior of the system are studied. The nonlocal piezoelasticity theory and the nonlinear cylindrical shell model in conjunction with the energy approach are utilized to mathematically modeling of the structure. The fluid flow is assumed to be isentropic, incompressible and fully develop, and for more generality of the problem both steady and time dependent flow regimes are considered. The mathematical modeling of fluid flow is also carried out based on a scalar potential function, time mean Navier-Stokes equations and the theory of slip boundary condition. Employing the modified Lagrange equations for open systems, the nonlinear coupled governing equations of motion are achieved and solved via the state space problem; forth order numerical integration and Bolotin's method. In the numerical results, a comprehensive discussion is made on the dynamical instabilities of the system (such as divergence, flutter and parametric resonance). We found that applying positive electric potential field will improve the stability of the system as an actuator or vibration amplitude controller in the micro electro mechanical systems.
Thermoacoustic oscillation is a significant problem in cylindrical-type combustors such as common internal combustion engines, industrial furnaces, gas turbine, etc. This kind of low frequency oscillation can lead to serious consequences such as destruction of the combustor and production of strong noise. The accurate numerical simulation of thermoacoustic phenomena is a complex and challenging problem, especially when considering the chemical reaction of mixtures. As with other simulations of aerodynamics and aeroacoustics, the direct computation of thermoacoustic phenomena requires that Navier-Stokes equations be solved using accurate numerical differentiation and time-marching schemes, with non-reflecting boundary conditions. The numerical approach used here aims at qualitative analysis and efficient prediction of those problems, not at the development of an accurate scheme. The numerical prediction developed in this work is shown to be reasonably matched with experimental result.
Belver, Ali Vasallo;Iban, Antolin Lorenzana;Rossi, Riccardo
Wind and Structures
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v.15
no.3
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pp.189-208
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2012
Lock-in and drag amplification phenomena are studied for a flexible cantilever using a simplified fluid-structure interaction approach. Instead of solving the 3D domain, a simplified setup is devised, in which 2D flow problems are solved on a number of planes parallel to the wind direction and transversal to the structure. On such planes, the incompressible Navier-Stokes equations are solved to estimate the fluid action at different positions of the line-like structure. The fluid flow on each plane is coupled with the structural deformation at the corresponding position, affecting the dynamic behaviour of the system. An Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) approach is used to take in account the deformation of the domain, and a fractional-step scheme is used to solve the fluid field. The stabilization of incompressibility and convection is achieved through orthogonal quasi-static subscales, an approach that is believed to provide a first step towards turbulence modelling. In order to model the structural problem, a special one-dimensional element for thin walled cross-section beam is implemented. The standard second-order Bossak method is used for the time integration of the structural problem.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.8
no.2
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pp.267-278
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1996
Steady, laminar, forced convection flow and heat transfer in the entrance region of an internally finned circular duct with a finite thermal conductivity has been analyzed numerically. The problem under investigation is a three-dimensional boundary layer problem, and is solved by employing a marching-type procedure which involves solution of a series of 2-dimensional elliptic problems in the cross-stream plane. Two types of inlet hydrodynamic conditions are considered : (a) uniform velocity flow and (b) fully developed flow. From the above inlet conditions, the effects of the fin height(h), fin number(N) and conductivity ratio($k_r$) on the flow and thermal characteristics are investigated. The numerical results show that the height and number of fins, and ratio of the solid to fluid thermal conductivity have pronounced effect on the solution. Considering pressure drop, optimized dimensionless fin height is 0.4.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.7
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pp.763-770
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2004
The problem of edge overcoating developed near the edge of the steel strip is studied quantitatively in the gas wiping process of continuous hot-dip galvanizing. It has been assumed that the edge overcoating occurs due to the reduced impact pressure of wiping gas on the strip edge and it is one of detrimental problems to the quality of coating products. In order to analyse the edge overcoating problem numerically, three-dimensional unsteady flows due to the gas wiping are calculated by using a commercial code, STAR-CD. Standard $\kappa$-$\varepsilon$ model is used as a turbulence model. The 1D code for calculation of coating thickness is constructed by using continuity and Navier-Stokes equations. The calculation results have shown good agreement with measurements of edge overcoating thickness, taken from galvanizing line trials. Therefore it is conformed that the major cause of edge overcoating is the reduced impact pressure of wiping gas on the strip surface.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.13
no.1
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pp.51-57
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2009
In this study, a new topology optimization method is developed to design heat-dissipating structure with forced convection. To cool down electrical devices or mechanical machines, two types of convection models have been widely used: the natural convection model with a large Archimedes number and the forced convection with a small Archimedes number. In these days, lots of engineering application areas such as electrochemical conversion devices (Fuel cell) or rocket propulsion engines adopt the forced convection to dissipate the generated heat. Therefore, to our knowledge, it becomes an important issue to design flow channels inside which the generated heat dissipate. Thus, this paper studies optimal topological designs considering fluid-heat interactions. To consider the effect of the advection in the heat transfer problem, the incompressible Navier-stokes equation is solved. This paper numerically studies the coupling phenomena and presents optimal channel design considering forced convection.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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