Reynolds-averaged Navier-Stokes equations are numerically solved using a secondorder finite difference method for the analysis of turbulent flows around single and tandem hydrofoils advancing under the free surface. The location of the free surface, not known a priori, is computed from the kinematic free surface condition and the computational grid is conformed at each iteration to the free surface deformation. The eddy viscosity model of Baldwin-Lomax is employed for the turbulence closure. The method is validated through the comparision of the numerical results with the experimental data for a single hydrofoil of a Joukowski foil section. A computational study is also carried out to investigate the effect of the submergence depth and the Froude number on the lift and the drag of the hydrofoil. For tandem hydrofoils, computations are performed for several separation distances between the forward and aft foils to see the interference effect. The result shows clearly how the lift and drag change with the separation distance.
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.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.35
no.1
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pp.15-23
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1998
Characteristics of turbulence beneath the free surface around a blunt bow are numerically-investigated. Three dimensional wavier-Stokes and continuity equations are solved for the simulations.. The Large Eddy Simulation(LES) with the external disturbance is performed to simulate the turbulent free surface flow called sub-breaking wave. The result shows that the free surface fluctuates beyond a certain critical condition and the characteristics of the fluctuation are similar to the turbulent boundary layer flow around a solid body.
Large eddy simulation of vortexing flow of molten steel in the continuous casting mold with and without DC magnetic field was conducted. The influence of the position of magnetic field to the residence time and depth of the vortex was analyzed. The mechanism of the influence of magnetic field to the vortexing flow was found. The computational results show that the vortexing flow is the result of shearing of the two un-symmetric surface flows from the mold narrow faces when they meet adjacent to the SEN; the un-symmetric flow for turbulent vortex is caused by turbulent energy of the fluid and that for biased vortex is caused by biased flow and the turbulent energy of fluid; with the moving of the magnetic field from the centerline of the outlet of the SEN to the free surface, the surface velocity is decreased gradually and the depth of the turbulent vortex and the biased vortex is decreased, the residence time is increased with the magnetic field moves from DL=120mm to DL=60mm and then decreased; the turbulent vortex and the biased vortex can be eliminated when the magnetic field is located at the free surface.
The bow wave breaking and the viscous interaction of stern wave are studied by simulating the free-surface flows. The Navier-Stokes equation is solved by a finite difference method in which the body-fitted coordinate system, the wall function and the triple-grid system are invoked. After validation, the calculations are extended to turbulent flows. The wave elevation at the Reynolds number of $10^4$ is much less than that at $10^6$ although the Froude number is the same. The numerical appearance of the sub-breaking waves is qualitatively supported by experimental observation. They are also applied to study the stern flow of S-103 for which extensive experimental data are available. Although the interaction between separation and the stern wave generation are not yet clear, the effects of the bow wave on the development of the boundary layer flows are concluded to be significant.
An analytic methodology was developed for free surface motions between liquid metal coolant and cover gas in order to calculate the phenomena of gas entrainment in hot pool surface through IHX EMP and reactor core. The methodology was setup by applying the first order VOF convection model to CFX4 general purpose fluid dynamics analysis code. The methodology was validated by applying it to an experimental apparatus designed for free surface motions of KALIMER reactor. The distributions of free surface calculated by the present methodology were almost coincident with the experimental data. The developed methodology was applied to the KALIMER reactor of full power operating condition. The shapes of the free surface were nearly uniform. From the results, it was found that the altitude of the free surface from the IHX inlet nozzle of KALIMER reactor is high enough not to affect to free surface motions of generating gas bubbles from the turbulent shear flows such as hydraulic jump and water falls.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.30
no.2B
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pp.179-189
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2010
This paper presents a numerical investigation of vorticity generation in fully vegetated open-channel flows. The Reynolds stress model is used for the turbulence closure. Open-channel flows with rough bed-smooth sidewalls and smooth bed-rough sidewalls are simulated. The computed vectors show that in channel flows with rough bed and rough sidewalls, the free-surface secondary currents become relatively smaller and larger, respectively, compared with that of plain channel flows. Also, open-channel flows over vegetation are simulated. The computed bottom vortex occupies the entire water depth, while the free-surface vortex is reduced. The contours of turbulent anisotropy and Reynolds stress are presented with different density of vegetation. The budget analysis of vorticity equation is carried out to investigate the generation mechanism of secondary currents. The results of the budget analysis show that in plain open-channel flow, the production by anisotropy is important in the vicinity of the wall and free-surface boundaries, and the production by Reynolds stress is important in the region away from the boundaries. However, this rule is not effective in vegetated channel flows. Also, in plain channel flows, the vorticity is generated mainly in the vicinity of the free-surface and the bottom, while in vegetated channel flows, the regions of the bottom and vegetation height are important to generate the vorticity.
The ocean wave is hydrodynamically investigated to get more reliable solution. To improve the computational accuracy more fine grids are used with relatively less computer storage on the free surface. One element of the free surface is discretized into more fine grids because the free-surface waves are much affected by the grid size in the finite difference scheme. Here the multi-grid method is applied to confirm the efficiency for the S103 ship model by solving the Navier-Stokes equation for the turbulent flows. According to the computational result approximately 30% can be improved in the free surface generation, Finally the limiting streamlines show numerical result is similar to the experiment by twin tuft.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.6
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pp.823-832
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2002
A modified $textsc{k}$-$\varepsilon$model is proposed for calculation of transitional boundary-layer flows with changing pressure gradient. In order to develop the model for this problem, the flow is divided into three regions; pre-transition region, transition region and fully turbulent region. The effect of pressure gradient is taken into account in stream-wise intermittency factor, which bridges the eddy-viscosity models in the pre-transition region and the fully turbulent region. From intermittency data in various flows, Narashima's intermittency function, F(${\gamma}$), has been found to be proportional to $\chi$$^{n}$ according to the extent of pressure gradient. Three empirical correlations of intermittency factor being analyzed, the best one was chosen to calculate three benchmark cases of bypass transition flows with different free-stream turbulence intensity under arbitrary pressure gradient. It was found that the variations of skin friction and shape factor as well as the profiles of mean velocity in the transition region were very satisfactorily predicted.
This paper presents the effects of free-stream turbulence on streamwise surface pressure fluctuations on two-dimensional rectangular cylinders. Particular attention is given to possible effects of turbulence integral scale on fluctuation and peak pressures. The mean, standard deviation, peak pressure coefficients, spectra and cross-correlation of fluctuating pressures were measured to investigate the nature of the separation and reattachment phenomenon in turbulent flows over a wide range of turbulence intensity and integral scale.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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