The present paper proposes a coupled volume-of-fluid (VOF) and level-set (LS) method for simulating incompressible two-phase flows that include surface tension effects. The interface of two fluids and its motion are represented by a VOF method designed using high-resolution differencing schemes. This hybrid method couples the VOF method with an LS distancing algorithm in an explicit way to improve the calculation of the normal and curvature of the interface. It is developed based on a rather simple algorithm to be efficient for various practical applications. The accuracy and convergence properties of the method are verified in a simulation of a single gas bubble rising in a three-dimensional flow with a large density ratio.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.15
no.2
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pp.80-85
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2003
This paper describes the generation and maximum run-up heights of cnoidal waves with varying periods by the numerical model. The model solves the Reynolds equations and the k-epsilon equations for the turbulent analysis. To track free surface displacements, the volume of fluid(VOF) method is employed. It is shown that profiles of the numerically generated cnoidal waves agree well with analytical solutions. The computed maximum run-up heights are compared with laboratory measurements and those of the boundary element method. The present model provides more agreeable results to laboratory measurements that the boundary element model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.39
no.5
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pp.405-414
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2015
Fluid transport is a key issue in the development of microfluidic systems. Recently, Myong (2014) has proposed a new concept for droplet transport without external power sources and numerically validated the results for a hypothetical 2D, initially having a hemicylindrical droplet. In this paper, the movement of an actual water droplet, initially having a 3D hemispherical shape, on horizontal hydrophilic/hydrophobic surfaces is simulated using a commercial computational fluid dynamics (CFD) package, Fluent, with VOF (volume of fluid) method. The results are compared with the 2D analysis of Myong (2014), and the transport mechanism for the actual water droplet is examined based on the numerical results of the time evolution of the droplet shape, as well as the total kinetic, gravitational, surface free and pressure energies inside the droplet.
Centrifugal pumps consume considerable amount of energy in various industrial applications. Therefore, improvement of the efficiency of these machines has become a major challenge. Cavitation is a phenomenon which decreases the pump efficiency and even causes structural demage. Hence, the goal of this paper is to investigate the cavitation problem in the single-stage and double-stage centrifugal pumps. The Volume of Fraction (VOF) method has been used for the numerical simulations together with Rayliegh-Plesset model for the gas-liquid two-phase flow inside the pump. In order to capture the turbulent phenomena, the standard k-${\varepsilon}$ turbulence model has been adopted, and the simulations have been done as unsteady cases. In addition, the motion of the rotating parts has been simulated using Multi Reference Frame(MRF) method. The results are presented and compared in terms of hydraulic head and NPSH for both the single-stage and double-stage pumps. The H-Q curves show the effects of cavitation on decreasing the pumps performances.
With the development of computational fluid dynamics (CFD), studies on shipbuilding and maritime issues including free-surface wave flow have been conducted. Although the volume of fluid (VOF) and level-set methods are widely used to study the free-surface wave flow, disadvantages exist. In particular, it takes a long time to obtain solutions. In this study, a free-surface capturing code is developed for ship and offshore structures. The developed code focuses on accuracy and computation time. Open source CFD libraries, termed OpenFOAM, are used to develop the code. The results obtained using the developed code are compared with those obtained using interFoam. The results show that the developed code could be used to capture the free-surface wave flow without numerical diffusion; moreover, the accuracy of the developed code is largely the same as that of interFoam.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.23
no.3
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pp.248-257
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2011
In the present study, we proposed a new numerical wave tank model to analyze the vertical tension-leg circular floating bodies, using a 2-D Navier-Stokes solver. An IBM(Immersed Boundary Method) capable of handling interactions between waves and moving structures with complex geometry on a standard regular Cartesian grid system is coupled to the VOF(Volume of Fluid) method for tracking the free surface. Present numerical results for the motions of the floating body were compared with existing experimental data as well as numerical results based on FAVOR(Fractional Area Volume Obstacle Representation) algorithm. For detailed examinations of the present model, the additional hydraulic experiments for floating motions and free surface transformations were conducted. Further, the versatility of the proposed numerical model was verified via the numerical and physical experiments for the general rectangular floating bodies. Numerical results were compared with experiments and good agreement was archived.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.12
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pp.1570-1579
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2000
Finite element analysis of fluid flow with moving free surface has been carried out in two and tree dimensions. The new VOF-based numerical algorithm that has been proposed by the present authors was applied to several 2-D and 3-D free surface flow problems. The proposed free surface tracking scheme is based on two numerical tools that have been newly introduced by the present authots; the orientation vector to represent the free surface orientation in each cell and the baby-cell to determine the fluid volume flux at each cell boundary. The proposed numerical algorithm has been applied to 2-D and 3-D cavity filling and sloshing problems, which demonstrated versatility and effectiveness of the new free surface tracking scheme as well as the overall solution procedure. The proposed numerical algorithm resolved successfully the interacting free surface with each other. The simulated results demonstrated the applicability of proposed numerical algorithm to the practical problems of large free surface motion. Also, it has been demonstrated that the proposed free surface tracking scheme can be easily implemented in any irregular non-uniform grid systems and can be extended to the 3-D free surface flow problem without additional efforts.
A general purpose program NUFLEX has been extended for two-phase flows with topologically complex interface and cavitation flows with liquid-vapor phase change caused by large pressure drop. In analysis of two-phase flow, the phase interfaces are tracked by employing a LS(Level Set) method. Compared with the VOF(Volume-of-Fluid} method based on a non-smooth volume-fraction function, the LS method can calculate an interfacial curvature more accurately by using a smooth distance function. Also, it is quite straightforward to implement for 3-D irregular meshes compared with the VOF method requiring much more complicated geometric calculations. Also, the cavitation process is computed by including the effects of evaporation and condensation for bubble formation and collapse as well as turbulence in flows. The volume-faction and continuity equations are adapted for cavitation models with phase change. The LS and cavitation formulation are implemented into a general purpose program for 3-D flows and verified through several test problems.
Recently, pressure grouting is widely being used in construction site for strength improvement of ground and water proof, reinforcement and so on. It is necessarily required to estimate an appropriate injection pressure and injection time for economical and reasonable construction in the site through the size and shape of the hardened grout measured according to ground condition. However, sampling for the hardened grout is time-consuming and needs high cost on preliminary test in the site. The system which could predict the size and shape of the hardened grout does not exist until now. Thus, numerical method based on VOF method and porous model was used for the calibration chamber injection test with injection pressure (50 kPa, 100 kPa, 150 kPa) in this study. The results indicate that the numerical technique based on VOF method and porous model among CFD analysis is expected to be a basic study for the prediction of the behavior and solidification of pressure grouting.
The main objective of this work is to investigate the sloshing behavior in a baffled and unbaffled three dimensional annular-sectored water pool (i.e., tank) which is located at dome region of the primary containment. Initially two case studies were performed for validation. In these case studies, the theoretical and experimental results were compared with numerical results and good agreement was found. After the validation of present numerical procedure, an annular-sectored water pool has been taken for numerical investigation. One sector is taken for analysis from the eight sectored water pool. The free surface is captured by Volume of Fluid (VOF) technique and the fluid portion is solved by finite volume method while the structure portions are solved by finite element approach. Baffled and un-baffled cases were compared to show the reduction in wave height under excitation. The complex mechanical interaction between the fluid and pool wall deformation is simulated using a partitioned strong fluid-structure coupling.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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