Calm water wave resistance plays a very important role in ship hull design. Numerical methods are meaningful for this reason. In this study, two prevailing methods, the Neumann-Kelvin and the Rankine source method, were implemented and compared. The Neumann-Kelvin method assumes linearized free surface boundary condition and only needs to mesh the hull surface. The Rankine source method considers nonlinear free surface boundary condition and meshes both the ship hull surface and free surface. Both methods were implemented and the wave resistance of a Wigley III and three Series 60(Cb=0.6, 0.7, 0.8) hulls were analyzed. The results were compared with experimental results and the merits of both numerical techniques were quantified. Based on the results, it is concluded that the Rankine source method is more accurate in the calculation of the wave-making resistance. Using the Neumann-Kelvin method, it is found to be easier to model the hull and can be used for slender ships to solve problems like wave current coupling calculation.
An analysis of the non-homogeneous term involved in the free surface condition for second order wave diffraction on a pair of cylinders is presented. In the computations of the nonlinear loads on offshore structures, the most challenging task is the computation of the free surface integral. The main contribution to this integrand is due to the non-homogeneous term present in the free surface condition for second order scattered potential. In this paper, the free surface condition for the second order scattered potential is derived. Under the assumption of large spacing between the two cylinders, waves scattered by one cylinder may be replaced in the vicinity of the other cylinder by equivalent plane waves together with non-planner correction terms. Then solving a complex matrix equation, the first order scattered potential is derived and since the free surface term for second order scattered potential can be expressed in terms of the first order potentials, the free surface term can be obtained using the knowledge of first order potentials only.
Surface fog coating methods to porous pavements with a polymer, that contains MMA as a main ingredient, are being widely used in Japan and called 'Top-Coat Processes'. They have lots of effects such as to prevention of the pavement void choking, improvement of the water permeability of the pavements and so on. The purpose of this research is to show the characterization of the polymer to optimize the functions of the polymer fog-coat methods. This study focused on the difference of 'wetting' by water among polymers used for the fog coatings, and calculation the surface free energy from the water contact angle on each material. At the end, the water permeability test were conducted using porous asphalt mixtures that were coated with several kinds of polymers. The permeability was also measured on the specimens that were forcibly choked by muddy water and the resistance to choking was compared. It is concluded that the reduction of the surface free energy between water and a polymer improves the life of the permeability functions of porous pavements. Improvement of water permeation capacity and void-blocking controlling effects can be quantitatively evaluated using the interfacial tension ($\gamma$sl) with water for the coating material (high-viscosity asphalt and hardening resin binder). Consequently, the smaller the $\gamma$sl of the coating material the higher the water permeation capacity and void-blocking controlling effects of the porous asphalt pavements.
The free surface effects on the aerodynamic performance of 2-D wings are investigated based on the potential flow approximation. The wing is represented b source and vortex distributions on the wing surface. The steady free surface effect is taken into account by source distribution on the free surface and the velocity potentials of air and water flows are obtained. Using three different techniques, namely, positive image method, inverse image method and source distribution method, numerical results are obtained for wave elevation, pressure distribution and lift coefficient with various foil sections. The wave elevation calculated by the inverse image method is shown to be very small even at higher speeds so that the free surface effect on the performance of wings is regraded negligible. However, the wave elevations by the positive image method and source distribution method are relatively high at higher speeds and accordingly the free surface effects on wings can not be neglected.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2005.09b
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pp.842-845
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2005
A method for the numerical simulation of two-dimensional free-surface flow resulting from the propagation of regular gravity waves over topography with arbitrary bottom shape is presented. The method is based on the numerical solution of the Euler equations subject to the fully nonlinear free-surface boundary conditions and the appropriate bottom, inflow and outflow conditions using a hybrid finite-differences and spectral-method scheme. The formulation includes a boundary-fitted transformation, and is suitable for extension to incorporate large-eddy simulation (LES) and large-wave simulation (LWS) terms for turbulence and breaking wave modeling, respectively. Results are presented for the simulation of the free-surface flow over two different bottom topographies, with constant slope values of 1:10 and 1:20, two different inflow wave lengths and two different inflow wave heights. An absorption outflow zone is utilized and the results indicate minimum wave reflection from the outflow boundary. Over the bottom slope, lengths of waves in the linear regime are modified according to linear theory dispersion, while wave heights remain more or less unchanged. For waves in the nonlinear regime, wave lengths are becoming shorter, while the free surface elevation deviates from its initial sinusoidal shape.
Unsteady nonlinear wave motions on the free surface over a plane beach of constant slope are numerically simulated using a finite difference method in rectangular grid system. Two-dimensional Navier-Stokes equations and the continuity equation are used for the computations. Irregular leg lengths and stars are employed near the boundaries of body and free surface to satisfy the boundary conditions. Also, the free surface which consists of markers or segments is determined every time step with the satisfaction of kinematic and dynamic free surface conditions. Moreover, marker-density method is also adopted to allow plunging jets impinging on the free surface. The second-order Stokes wave theory is employed for the generation of waves on the inflow boundary. For the simulation of wave breaking phenomena, the computations are carried out with the plane beach of constant slope in surf zone. The results are compared with other existing experimental results. Agreement between the experimental data and the computation results is good.
Kyoung Jo Hyun;Bai Kwang June;Chung Sang Kwon;Kim Do Young
Proceedings of the KSME Conference
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2002.08a
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pp.381-384
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2002
The free surface flow problem has been one of the most interesting and challenging topic in the area of the naval ship hydrodynamics and ocean engineering field. The problem has been treated mainly in the scope of the potential theory and its governing equation is well known Laplace equation. But in general, the exact solution to the problem is very difficult to obtain because of the nonlinearlity of the free surface boundary condition. Thus the linearized free surface problem has been treated often in the past. But as the computational power increases, there is a growing trend to solve the fully nonlinear free surface problem numerically. In the present study, a time-dependent finite element method is developed to solve the problem. The initial-boundary problem is formulated and replaced by an equivalent variational formulation. Specifically, the computations are made for a highly nonlinear flow phenomena behind a transom stern ship and a vertical strut piercing the free surface.
After atmospheric pressure plasma treatment of polypropylene(PP) film surface, we measured the contact angle of the surface by using polar solvent (water) and non-polar solvent (diiodomethane). We also calculated the surface free energy of PP film by using the measured values of contact angles. And then we analyzed contact angle and surface free energy with changing the condition of atmospheric pressure plasma treatment. Upon each condition of atmospheric plasma treatment, contact angle and surface free energy showed an optimum value or leveled off.
The objective of this paper is to present an analytical solution in deep water waves and verify the validity of the theory (Shin, 2015). Hence this is a follow-up to Shin (2015). Instead of a variational approach, another approach was considered for a more accurate assessment in this study. The products of two coefficients were not neglected in this study. The two wave profiles from the KFSBC and DFSBC were evaluated at N discrete points on the free-surface, and the combination coefficients were determined for when the two curves pass the discrete points. Thus, the solution satisfies the differential equation (DE), bottom boundary condition (BBC), and the kinematic free surface boundary condition (KFSBC) exactly. The error in the dynamic free surface boundary condition (DFSBC) is less than 0.003%. The wave theory was simplified based on the assumption tanh $D{\approx}1$ in this paper. Unlike the perturbation method, the results are possible for steep waves and can be calculated without iteration. The result is very simple compared to the 5th Stokes' theory. Stokes' breaking-wave criterion has been checked in this study.
This study assessed the contribution of emergent vegetation (Phragmites australis, Typha latifolia, and Nelumbo nucifera) to the submerged surface area, the amount of biofilms attached to the submerged portions of the plants, and the treatment performance of a free water surface (FWS) constructed wetland. Results showed that a 1% increase ($31m^2$) in the vegetative area resulted in an increase of $220m^2$ of submerged surface area, and 0.48 kg Volatile Suspended Solids (VSS) of attached biofilm. As the vegetation coverage increased, effluent organic matter and total Kjeldahl nitrogen decreased. Conversely, a higher nitrate concentration was found in the effluent as a result of increased nitrification and incomplete denitrification, which was limited by the availability of a carbon source. In addition, a larger vegetation coverage resulted in a higher phosphorus in the effluent, most likely released from senescent biofilms and sediments, which resulted from the partial suppression of algal growth. Based on the results, it was recommended that constructed wetlands should be operated with a vegetation coverage of just under 50% to maximize pollutant removal.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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