Investigated in this paper is the effect of fluid-structure interaction between reactor internal components due to their immersion in a confining fluid on the dynamic responses. A non-linear mathematical model is developed for the dynamic analysis of the reactor internals, which includes lumped masses, stiffnesses and hydrodynamic couplings. The hydrodynamic mass matrix which characterizes the fluid-structure interaction is calculated. Also, the equations of motion containing hydrodynamic mass matrix are presented. The responses of the reactor internals due to seismic and pipe break excitations are obtained for the case of with- and without-hydrodynamic couplings and the different response characteristics are investigated.
Hydrodynamic analyses of classic and truss spar platforms for floating offshore wind turbines (FOWTs) were performed in the frequency domain, by considering coupling effects of the structure and its mooring system. Based on the Morison equation and Diffraction theory, different wave loads over various frequency ranges and underlying hydrodynamic equations were calculated. Then, Response Amplitude Operators (RAOs) of 6 DOF motions were obtained through the coupled hydrodynamic frequency domain analysis of classic and truss spar-type FOWTs. Truss spar platform had better heave motion performance and less weight than classic spar, while the hydrostatic stability did not show much difference between the two spar platforms.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.892-901
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2020
We used a numerical method to estimate the hydrodynamic maneuvering derivatives for the heave-pitch coupling motion of an underwater glider. It is very important to assess the hydrodynamic maneuvering characteristics of a specific hull form of an underwater glider in the initial design stages. Although model tests are the best way to obtain the derivatives, numerical methods such as the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) method are used to save time and cost. The RANS method is widely used to estimate the maneuvering performance of surface-piercing marine vehicles, such as tankers and container ships. However, it is rarely applied to evaluate the maneuvering performance of underwater vehicles such as gliders. This paper presents numerical studies for typical experiments such as static drift and Planar Motion Mechanism (PMM) to estimate the hydrodynamic maneuvering derivatives for a Ray-type Underwater Glider (RUG). A validation study was first performed on a manta-type Unmanned Undersea Vehicle (UUV), and the Computational Fluid Dynamics (CFD) results were compared with a model test that was conducted at the Circular Water Channel (CWC) in Korea Maritime and Ocean University. Two different RANS solvers were used (Star-CCM+ and OpenFOAM), and the results were compared. The RUG's derivatives with both static drift and dynamic PMM (pure heave and pure pitch) are presented.
Journal of international Conference on Electrical Machines and Systems
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v.2
no.4
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pp.421-428
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2013
This paper describes analysis of journal bearings lubricated with ferrofluid, which are very suitable for high speed machines. Comparing to conventional lubricants, the coupling of hydrodynamic, thermal and magnetic properties of ferrofluid adds to the complexity in analysis. Modified Reynolds equation and energy equation are derived and solved numerically using finite volume method. Pressure distribution is got which takes temperature effect into consideration. Static characteristics are then discussed. One optimal scheme is also got according to analysis results.
In this paper, we present a numerical model for fluid-structure interaction between structure built of porous media and acoustic fluid, which provides both pore pressure inside porous media and hydrodynamic pressures and hydrodynamic forces exerted on the upstream face of the structure in an unified manner and simplifies fluid-structure interaction problems. The first original feature of the proposed model concerns the structure built of saturated porous medium whose response is obtained with coupled discrete beam lattice model, which is based on Voronoi cell representation with cohesive links as linear elastic Timoshenko beam finite elements. The motion of the pore fluid is governed by Darcy's law, and the coupling between the solid phase and the pore fluid is introduced in the model through Biot's porous media theory. The pore pressure field is discretized with CST (Constant Strain Triangle) finite elements, which coincide with Delaunay triangles. By exploiting Hammer quadrature rule for numerical integration on CST elements, and duality property between Voronoi diagram and Delaunay triangulation, the numerical implementation of the coupling results with an additional pore pressure degree of freedom placed at each node of a Timoshenko beam finite element. The second original point of the model concerns the motion of the outside fluid which is modeled with mixed displacement/pressure based formulation. The chosen finite element representations of the structure response and the outside fluid motion ensures for the structure and fluid finite elements to be connected directly at the common nodes at the fluid-structure interface, because they share both the displacement and the pressure degrees of freedom. Numerical simulations presented in this paper show an excellent agreement between the numerically obtained results and the analytical solutions.
The equations of motion of a submarine pipeline with the internal flowing fluid and subject to hydrodynamic loadings are derived by using Hamilton's principle. Coupling between the bending and the longitudinal extension due to axial load and thermal expansion are considered. Coupling between the twisting and extension are not considered. The equations of motion are well agreed with the results which are derived by the vector method.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.6
no.3
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pp.652-669
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2014
This paper concerns the kinematic characteristics of a coupling device in a deep-seabed mining system. This coupling device connects the buffer system and the flexible pipe. The motion of the buffer system, flexible pipe and mining robot are affected by the coupling device. So the coupling device should be considered as a major factor when this device is designed. Therefore, we find a stable kinematic device, and apply it to the design coupling device through this study. The kinematic characteristics of the coupling device are analyzed by multi-body dynamics simulation method, and finite element method. The dynamic analysis model was built in the commercial software DAFUL. The Fluid Structure Interaction (FSI) method is applied to build the deep-seabed environment. Hydrodynamic force and moment are applied in the dynamic model for the FSI method. The loads and deformation of flexible pipe are estimated for analysis results of the kinematic characteristics.
Tension leg platforms (TLP's) are highly nonlinear due to large structural displacements and fluid motion-structure interaction. Therefore, the nonlinear dynamic response of TLP's under hydrodynamic wave loading is necessary to determine their deformations and dynamic characteristics. In this paper, a numerical study using modified Morison Equation was carried out in the time domain to investigate the influence of nonlinearities due to hydrodynamic forces and the coupling effect between all degrees of freedom on the dynamic behavior of a TLP. The stiffness of the TLP was derived from a combination of hydrostatic restoring forces and restoring forces due to cables and the nonlinear equations of motion were solved utilizing Newmark's beta integration scheme. The effect of wave characteristics was considered.
Translocation of biopolymers such as DNA and RNA through a nano-pore is an important process in biotechnology applications. The translocation process of a biopolymer through an artificial nano-pore in the presence of a fluid solvent is simulated. The polymer motion is simulated by Langevin molecular dynamics (MD) techniques while the solvent dynamics are taken into account by lattice-Boltzmann method (LBM). The hydrodynamic interactions are considered explicitly by coupling the polymer and solvent through the frictional and the random forces. From simulation results we found that the hydrodynamic interactions between polymer and solvent speed-up the translocation process. The translocation time ${\tao}_T$ scales with the chain length N as ${{\tau}_T}^{\propto}N^{\alpha}$. The value of scaling exponents($\alpha$) obtained from our simulations are $1.29{\pm}0.03$ and $1.41{\pm}0.03$, with and without hydrodynamic interactions, respectively. Our simulation results are in good agreement with the experimentally observed value of $\alpha$, which is equal to $1.27{\pm}0.03$, particularly when hydrodynamic interaction effects are taken into account.
In this study, a new numerical modeling system was proposed to predict oil spills, which increasingly occur at sea as a result of abnormal weather conditions such as global warming. The hydrodynamic conditions such as the flow velocity needed to calculate oil dispersion were estimated using a three dimensional hydrodynamic model based on the Navier-Stokes equation, which considered all of the physical variations in the vertical direction. This improved the accuracy compared to those estimated by the conventional shallow water equation. The advection-diffusion model for the spilled oil was combined with the hydrodynamic model to predict the movement and fate of the oil. The effects of absorption, weathering, and wind were also considered in the calculation process. The combined model developed in this study was then applied to various test cases to identify the characteristics of oil dispersion over time. It is expected that the developed model will help to establish initial response and disaster prevention plans in the event of a nearshore oil spill.
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