Numerical Analysis has been done for the supersonic off-design jet flow due to the pressure difference between the jet and the ambient fluid. The difference of pressure generates an oblique shock or an expansion wave at the nozzle exit. The waves reflect repeatedly on the center axis and the sonic surface in the shear layer. The pressure difference is resolved across these reflected waves. In this paper, the axi-symmetric Navier-Stokes equation has been used with the κ-ε turbulence model. The second order TVD scheme with flux limiters, based on the flux vector split with the smooth eigenvalue split, has been used to capture internal shocks and other discontinuities. Numerical calculations have been done to analyze the off-design jet flow due to the pressure difference. The variation of pressure along the flow axis is compared with an experimental result and other numerical result. The characteristics of the interaction between the shock cell and the turbulence mixing layer have been analyzed.
Jeong, Seong-Jae;An, Heui-Chun;Shin, Jong-Keun;Choi, Jin
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.42
no.3
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pp.205-211
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2005
In this study, a new numerical procedure for the generation of a nonlinear tailored group of waves is presented. The procedure is based on the transient wave group technique. In order to integrate the nonlinearity during the wave propagation in the computational method, the Navier-Stokes equations are applied as governing equations. The governing equations are discretized by finite volume approximation. The deformation of the free water surface in each time step is pursued with a moving grid. A two-dimensional, numerical wave tank for the simulation of the wave propagation is developed and tested in detail. The numeric results are compared first with analytical wave theories and with measurements, in order to examine the correctness of the numerical wave tank. Wave surface elevation and associated fields of velocity and pressure are numerically computed and compared with measurements. Very good agreements show up.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.5
no.3
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pp.204-211
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1993
Boundary element method is applied to simulate nonlinear water waves using Green's identity formula in a numerical wave flume. A system of linear equations is formulated from the governing equation and free surface boundary conditions in order to calculate velocity potential and water surface elevation at each nodal point. The velocity square terms are included in the dynamic free surface boundary condition. The free surface is treated as a moving boundary. the vertical variation of velocity potential being considered in calculating the time derivative of the velocity potential at the free surface. The present method is applied to simulate solitary wave and Stokes 2nd order wave, and shows excellent agreements with their theoretical values.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.2
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pp.77-89
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1991
Based on Boussinesq equation, the parabolic approximation equation is used to analyse the propagation of shallow water waves with currents over slowly varying depth. Rip currents (jet-like) occur mainly in shallow waters where the Ursell parameter significatly exceeds the range of application of Stokes wave theory. We employ the nonlinear parabolic approximation equation which is valid for waves of large Ursell parameters and small scale currents. Two types of currents are considered; relatively strong and relatively weak currents. The wave propagating over rip currents on a sloping bottom experiences a shoaling due to the variations of depth and current velocity as well as refraction and diffraction due to the vorticity of currents. Numerical analyses for a nonlinear theory are valid before the breaking point.
Sief, Ahmed Khaled;Kuroiwa, Masamitsu;Abualtayef, Mazen;Mase, Hajime;Matsubara, Yuhei
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.3
no.3
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pp.216-224
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2011
In This study develops a quasi-three dimensional numerical model of wave driven coastal currents with accounting the effects of the wave-current interaction and the surface rollers. In the wave model, the current effects on wave breaking and energy dissipation are taken into account as well as the wave diffraction effect. The surface roller associated with wave breaking was modeled based on a modification of the equations by Dally and Brown (1995) and Larson and Kraus (2002). Furthermore, the quasi-three dimensional model, which based on Navier-Stokes equations, was modified in association with the surface roller effect, and solved using frictional step method. The model was validated by data sets obtained during experiments on the Large Scale Sediment Transport Facility (LSTF) basin and the Hazaki Oceanographical Research Station (HORS). Then, a model test against detached breakwater was carried out to investigate the performance of the model around coastal structures. Finally, the model was applied to Akasaki port to verify the hydrodynamics around coastal structures. Good agreements between computations and measurements were obtained with regard to the cross-shore variation in waves and currents in nearshore and surf zone.
In this paper, a pitch-type wave energy converter (WEC-rotor) is investigated in irregular wave conditions for the real sea testing at the west coast of Jeju Island, South Korea. The present research builds on and extends our previous work on regular waves to irregular waves. The hydrodynamic characteristics of the WEC-rotor are assessed by establishing a quasi-two-dimensional numerical wave tank using computational fluid dynamics by solving the Reynolds-averaged Navier-Stokes equation. The numerical solution is validated with physical experiments, and the comparison shows good agreement. Furthermore, the hydrodynamic performance of the WEC-rotor is explored by investigating the effect of the power take-off (PTO) loading torque by one-way and two-way systems, the wave height, the wave period, operational and high sea wave conditions. Irrespective of the sea wave conditions, the absorbed power is quadratic in nature with the one-way and two-way PTO loading systems. The power absorption increases with the wave height, and the increment is rapid and mild in the two-way and one-way PTO loading torques, respectively. The pitch response amplitude operator increases as the wave period increases until the maximum value and then decreases. For a fixed PTO loading, the power and efficiency are higher in the two-way PTO loading system than in the one-way PTO loading system at different wave periods.
Brizzolara, Stefano;Bonfiglio, Luca;Medeiros, Joao Seixas De
Ocean Systems Engineering
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v.3
no.3
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pp.219-236
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2013
The accurate prediction of motion in waves of a marine vehicle is essential to assess the maximum sea state vs. operational requirements. This is particularly true for small crafts, such as Autonomous Surface Vessels (ASV). Two different numerical methods to predict motions of a SWATH-ASV are considered: an inviscid strip theory initially developed at MIT for catamarans and then adapted for SWATHs and new a hybrid strip theory, based on the numerical solution of the radiation forces by an unsteady viscous, non-linear free surface flow solver. Motion predictions obtained by the viscous flow method are critically discussed against those obtained by potential flow strip theory. Effects of viscosity are analyzed by comparison of sectional added mass and damping calculated at different frequencies and for different sections, RAOs and motions response in irregular waves at zero speed. Some relevant conclusions can be drawn from this study: influence of viscosity is definitely non negligible for SWATH vessels like the one presented: amplitude of the pitch and heave motions predicted at the resonance frequency differ of 20% respectively and 50%; in this respect, the hybrid method with fully non-linear, viscous free surface calculation of the radiation forces turns out to be a very valuable tool to improve the accuracy of traditional strip theories, without the burden of long computational times requested by fully viscous time domain three dimensional simulations.
Oil booms are one of the most widely used types of equipment for the protection of coastal areas against oil spills. In some situations, however, there are several types of oil leaks from the oil boom. Important factors regarding these phenomena include the surrounding ocean environment, such as waves, the density and viscosity of oil, the length of the oil boom skirt, etc. To estimate the performance of the oil boom, it is necessary to predict the behavior of the spilled oil and oil boom. In the present study, the prediction of oil boom performance in waves was carried out using the Pusan-National-University-modified Moving Particle Semi-implicit (PNU-MPS) method, which is an improved version of the original MPS proposed by Koshizuka and Oka (1996). The governing equations, which consist of continuity and Navier-Stokes equations, are solved by Lagrangian moving particles, and all terms expressed by differential operators in the governing equations are replaced by the particle interaction models based on a kernel function. The simulation results were validated through a comparison with the results of Violeau et al. (2007)..
The interaction between advancing ships and the waves generated by them plays important roles in wave resistances and ship motions. Wave breaking phenomena near the ship bow at different speeds are investigated both numerically and experimentally. Numerical simulations of free surface profiles near the fore bodies of ships are performed and visualized to grasp the general trend or the mechanism of wave breaking phenomena from moderate waves rather than concentrating on local chaotic irregularities as ship speeds increase. Navier-Stokes equations are differentiated based on the finite difference method. The Marker and Cell (MAC) Method and Marker-Density Method are employed, and they are compared for the description of free surface conditions associated with the governing equations. Extra effort has been directed toward the realization of extremely complex free surface conditions at wave breaking. For this purpose, the air-water interface is treated with marker density, which is used for two layer flows of fluids with different properties. Adaptation schemes and refinement of the numerical grid system are also used at local complex flows to improve the accuracy of the solutions. In addition to numerical simulations, various model tests are performed in a ship model towing tank. The results are compared with numerical calculations for verification and for realizing better, more efficient research performance. It is expected that the present research results regarding wave breaking and the geometry of the fore body of ship will facilitate better hull form design productivity at the preliminary ship design stage, especially in the case of small and fast ship design. Also, the obtained knowledge on the impact due to the interaction of breaking waves and an advancing hull surface is expected to be applicable to investigation of the ship bow slamming problem as a specific application.
In connection to the design of high speed vessels, the numerical simulation is carried out to make clear the property of flows and breaking phenomena around the catamaran. It is because the bradking phenome-non is closely related to the free-surface turbulent flow. The free-surface wave and transverse velocity vectors are calculated around the twin and demi hull of the catamaran. Computed results are applied to detect the appearance of sub-breaking waves around the hull. The critical condition for their appearance is studied at two Froude numbers of 0.45 and 0.95. The nu-merical analysis shows that the breaking is more serious near the twin hull rather the demi hull. To simu-late the flows, the Navier-Stokes solver is invoked with a free-surface. The computation is made only in half a domain because it is symmetric in the shape.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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