Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.3
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pp.377-387
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2010
In this study, the turbulent free surface around KVLCC1 employed in the circular motion test simulation is numerically calculated using a commercial CFD(Computational Fluid Dynamics) code, FLUENT. Also, hydrodynamic forces and yaw moments around a ship model are calculated during the steady turning. Numerical simulations of the turbulent flows with free surface around KVLCC1 have been carried out by use of RANS equation based on calculation of hydrodynamic forces and yaw moments exerted upon the ship hull. Wave elevation is simulated by using the VOF method. VOF method is known as one of the most effective numerical techniques handling two-fluid domains of different density simultaneously. Boundary layer thickness and wake field are changed various yaw velocities of ship model during the steady turning. The calculated hydrodynamic forces are compared with those obtained by model tests.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.49
no.3
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pp.247-253
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2012
Dam-break flows, a type of very shallow gravity-driven flow, are substantially influenced by resistance forces due to viscous friction and turbulence. Assuming turbulent flow, the main focus of this study is to validate the increase of drag forces caused by surface roughness and especially turbulence intensity. A Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) approach with the standard k-${\varepsilon}$ turbulence model is used for this study, where the free surface motion is captured by using a volume of fluid(VOF) method. Surface roughness effects are considered through the law of the wall modified for roughness, while the initial turbulence intensity which determines the lowest level of turbulence in the flow domain of interest is used for the variation of turbulence intensity. It has been found that the numerical results at higher turbulence intensities show a reasonably good agreement with the physical aspects shown by two different dam-break experiments without and with the impact of water.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.44
no.3
s.153
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pp.248-257
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2007
Turbulent flows around a sailing yacht hull were calculated using CFD technique. Grid system was generated by using Gridgen package and Fluent package was used to calculate flows around a 30ft-class yacht hull designed by MOERI. The drafts at starboard and port sides of a yacht. when the hull was heeled, were determined by adjusting the same displacement in the generated grid system. Pressure distribution on the sailing yacht hull was obtained and the changes of drag and side force by heel and leeway variation were shown. The flow calculations have been carried out both with and without free surface, and keel and rudder were included for both cases. It was found that the calculated results with free surface gives better agreement with experiments than those without free surface, although there are still a room for the improvement in correct prediction of forces.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.35-49
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2021
This paper presents a direct numerical simulation of turbulent flows over a bump in an open channel to examine the turbulence characteristics near divergent waves emanating from the bump and to investigate the interaction of the turbulences with the divergent waves. To verify the reliability of the simulations, the mean velocity profile and root-mean-square of velocity fluctuations are compared with previous data. The anisotropic invariant maps show that the ratio of the streamwise to spanwise velocity fluctuations plays an important role in characterizing the anisotropic nature of the separated shear layer behind the bump in the vicinity of the free surface. The vortex identification discloses a large-scale streamwise vortical structure from the mean velocity field and a cluster of small coherent structures from the instantaneous velocity field, which are responsible for the anisotropic characteristics of the turbulence beneath the free surface.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.44
no.3
s.153
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pp.258-266
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2007
CFD calculations are performed for KRISO 3600TEU container ship(KCS) models with different Reynolds numbers. Numerical calculations of the turbulent flows with the free surface around KCS have been carried out at $Re=0.791{\times}106\;and\;Re=1.4{\times}107$ using a standard Fluent package. In both cases, Froude number is fixed with 0.26 and wave elevation is simulated by using the VOF method. The calculated results at $Re=1.4{\times}107\;and\;Re=0.791{\times}106$ are compared with the experiment data of KRISO towing tank test and RIMS CWC test, respectively. Boundary layer thickness and wake field shows Reynolds number differences. There are some changes in wave pattern behind transom stern.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.2
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pp.149-159
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2017
In this study, the numerical investigation of ship motions and added resistance at constant forward velocity of KVLCC2 model is presented. Finite volume CFD code is used to calculate three dimensional, incompressible, unsteady RANS equations. Numerical computations show that reliable numerical results can be obtained in head waves. In the numerical analyses, body attached mesh method is used to simulate the ship motions. Free surface is simulated by using VOF method. The relationship between the turbulence viscosity and the velocities are obtained through the standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence model. The numerical results are examined in terms of ship resistance, ship motions and added resistance. The validation studies are carried out by comparing the present results obtained for the KVLCC2 hull from the literature. It is shown that, ship resistance, pitch and heave motions in regular head waves can be estimated accurately, although, added resistance can be predicted with some error.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.30
no.2
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pp.76-85
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1993
In order to predict the free surface signature of turbulent ship wakes two things are essential; a basic understanding of the mechanism of turbulent vortical flow/free surface interactions and a mathematical model to accurately predict the signature. The goal of the study described here is both to supplement experimental work to obtain basic understanding, as well as to condense this understanding in a model(or models) that captures the essential phenomena and thus allows predictions. To do so we followed two main paths guided by experimental observations. One is full simulations of the flow using the clavier-Stokes equations. The other is a vortex modeling, where the vortical structures of the flows are approximated by idealized structures, an the interaction assumed to be essentially inviscid. These approaches complement each other. Full simulations are only applicable to small scale phenomena, where the system is simple, and the Reynolds number is low. The vortex modeling, on the other hand, cannot represent essentially viscous aspects of the problem such as the effect of contamination gradient. Obviously, the modeling is what may eventually lead to a prediction method; the full simulations-too limited to mimic all but the simplest circumstances-are to aid and support the construction of realistic models. We address two-dimensional aspects of the vortex/free surface interaction first. Secondly we obtain some basic understanding of the interaction process through an experiment and then talk about several three-dimensional problems hoping to develop a successful prediction model.
RANS-based CFD analysis is widely applied in various engineering fields, including practical hydraulic engineering, due to its high computational efficiency. However, problems of non-physical behavior in the analysis of two phase flow, such as free surfaces, have long been raised. The two-equation turbulence models used in general RANS-based analysis were developed for single phase flow and simulate unrealistically high turbulence energy at the interface where there are abrupt changes in fluid density. To solve this issue, one of the methods recently developed is the buoyancy-modified turbulence model, which has been partially validated in coastal engineering, but has not been applied to open channel flows. In this study, the applicability of the buoyancy-modified turbulence model is evaluated using the VOF method in the open-source program OpenFoam. The results of the uniform flow showed that both the buoyancy-modified k-𝜖 model and the buoyancy-modified k-ω SST model effectively simulated the reduction of turbulence energy near the free surface. Specifically, the buoyancy-modified k-ω SST model accurately simulated the vertical velocity distribution. Additionally, the model is applied to dam-break flows to examine cases with significant surface variation and cavity formation. The simulation results show that the buoyancy-modified turbulence models produce varying results depending on the VOF method and shows non-physical behavior different from experimental results. While the buoyancy-modified turbulence model is applicable in cases with stable surface shapes, it still has limitations in general application when there are rapid changes in the free surface. It is concluded that appropriate adjustments to the turbulence model are necessary for flows with rapid surface changes or cavity formation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.5
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pp.567-576
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1999
An experimental study has been conducted to investigate the effects of the free stream turbulence intensity and Reynolds number on the heat transfer and flow characteristics In the linear turbine cascade. Profiles of the time-averaged velocity, turbulence intensity, and Reynolds stress were measured in the turbine cascade passage. The static pressure and heat transfer distributions on the blade suction and pressure surfaces were also measured. The experiments were made for the Reynolds number based on the chord length, Rec = $2.2{\times}10^4$ to $1.1{\times}10^5$ and the free stream turbulence intensity, $FSTI_1$ = 0.6% to 9.1 %. The uniform heat flux boundary condition on the blade surface was created using the gold film Intrex and the surface temperature was measured by liquid crystal, while hot wire probes were used for the flow measurements. The results show that the free stream turbulence promotes the boundary layer development and delays the flow separation point on the suction surface. It was found that the boundary layer flows on the suction surface for all Reynolds numbers tested with $FSTI_1$ = 0.6% are laminar. It was also found that the heat transfer coefficient on the blade surface increases as the free stream turbulence intensity increases and the flow separation point moves downstream with an increasing Reynolds number. The results of skin friction coefficients are in good agreement with the heat transfer results in that for $FSTI_1{\geq}2.6%$, the turbulent boundary layer separation occurs.
A Computational Fluid Dynamics model is presented in this study for the simulation of the complex fluid flows with free surfaces inside the Tuned Liquid Column Dampers in horizontal motion. The characteristics of the fluid model of the TLCD in horizontal motion include the free surface of the multiphase flow and the horizontal moving frame. In this study, the time depend unsteady Standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulent model based on Navier-Stokes equations is chosen. The volume of fluid (VOF) method and sliding mesh technique are adopted to track the free surface of water inside the vertical columns of TLCD and treat the moving boundary of the walls of TLCD in horizontal motion. Several model solution parameters comprising different time steps, mesh sizes, convergence criteria and discretization schemes are examined to establish model parametric independency results. The simulation results are compared with the experimental data in the dimensionless amplitude of the water column in four different configured groups of TLCDs with four different orifice areas. The predicted natural frequencies and the head loss coefficient of TLCDs from CFD model are also compared with the experimental data. The predicted numerical results agree well with the available experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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