The fluid-structure interaction of a towed body is simulated using a developed code, which is based on the flux-difference splitting scheme on the hybrid Cartesian/immersed boundary method. To improve the stability in the coupling between the fluid and structure domains, a scheme is used, in which the effects of structure deformation are treated implicitly. The developed code is validated for the fluid-structure interaction problem through comparisons with other results on the vortex-induced vibration of elastically mounted cylinders. To simulate behavior of a towed body, an asymmetric tension modelling for a towing cable is suggested. In the suggested model, the tension is proportional to the elongation of the cable, but the cable has no effect on the body motion whenever the distance between the endpoints of the cable is smaller than the original length of the cable. The fluid-structure interactions of a towed body are simulated on the basis of different parameters of the towing cables. It is observed that the suggested tension model predicts the snapping for a shorter towing cable, which is in accordance with the reported results.
Three-dimensional characteristics of fluid flow and heat transfer around a wavy circular cylinder having sinusoidal variation in cross sectional area along the spanwise direction are numerically investigated using the immersed boundary method. The three different wavelengths of ${\pi}/4$, ${\pi}/3$ and ${\pi}/2$ and at the fixed wavy amplitude of 0.1 have been considered to investigate the effects of waviness on especially the forced convection heat transfer around a wavy cylinder when the Reynolds and Prandtl numbers are 300 and 0.71, respectively. The present computational results for a wavy cylinder are compared with those for a smooth cylinder. The time- and total surface-averaged Nusselt number for a wavy cylinder with is larger than that for a smooth cylinder, whereas that with ${\lambda}={\pi}/4$ and ${\pi}/3$ is smaller than that for a smooth cylinder. However, because the surface area exposed to heat transfer for a wavy cylinder is larger than that for a smooth cylinder, the total heat transfer rate for a wavy cylinder with different wavelengths of ${\lambda}={\pi}/4$, ${\pi}/3$ and ${\pi}/2$ is larger than that for a smooth cylinder.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.37
no.2
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pp.111-117
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2013
A valveless pump consisting of a pumping chamber with an elastic tube was simulated using an immersed boundary method. The interaction between the motion of the elastic tube and the pumping chamber generated a net flow toward the outlet through a full cycle of the pump. The net flow rate of the valveless pump was examined by varying the stretching coefficient, bending coefficient, and aspect ratio of the elastic tube. Photographs of the fluid velocity vectors and the wave motions of the elastic tube were examined over one cycle of the pump to gain a better understanding of the mechanism underlying the valveless pump. The relationship between the gap in the elastic tube and the average flow rate of the pump was analyzed.
In this study, we present a multidimensional open system for valveless pumping (VP). This system consists of an elastic tube connected to two open tanks filled with a fluid under gravity. The two-dimensional elastic tube model is constructed based on the immersed boundary method, and the tank model is governed by a system of ordinary differential equations based on the work-energy principle. The flows into and out of the elastic tube are modeled in terms of the source/sink patches inside the tube. The fluid dynamics of this system is generated by the periodic compress-and-release action applied to an asymmetric region of the elastic tube. We have developed an algorithm to couple these partial differential equations and ordinary differential equations using the pressure-flow relationship and the linearity of the discretized Navier-Stokes equations. We have observed the most important feature of VP, namely, the existence of a unidirectional net flow in the system. Our computations are focused on the factors that strongly influence the occurrence of unidirectional flows, for example, the frequency, compression duration, and location of pumping. Based on these investigations, some case studies are performed to observe the details of the ow features.
In this study, we consider the characteristics of channel flow in the presence of an infinite streamwise array of equispaced identical rotating circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall for some selected angular speeds. An immersed boundary method was employed to facilitate implementing the cylinders on a Cartesian grid system. No-slip condition is employed at all solid boundaries including the cylinders, and the flow is assumed to be periodic in the streamwise direction. The presence of the rotating circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to increase of mean friction on the channel walls. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of rotating cylinders to modify flow topology, which might be used to enhance heat transfer on the channel walls.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.3
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pp.260-266
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2011
For long slender offshore structures, such as cables and pipe lines, their interaction with surrounding fluid flow becomes an important issue for global design of ocean systems. We employ a long circular cylinder as a representative case of slender offshore structure. A flexibly mounted cylinder in cross-flow generates complex vortex shedding and results in oscillation of the structure. In this paper, flow behind a circular cylinder at Re=100 is simulated. The vortex shedding pattern and flow induced motion are examined in the cross flow configuration as well as with various yaw-angled configurations. The "Lock-in" phenomenon is also observed when reduced velocity is approximately 4.0. The MAC Grid system, which is the typical grid system for Cartesian mesh and pressure correction methods, are used for solving the incompressible Navier-Stokes equations. Predictor/Corrector method is applied for obtaining a non-linear response of structure at the flexibly mounted. The existance and motion of the body is represented by the immersed boundary technique.
Vortex-induced vibration of three circular cylinders (each of diameter D) in an equilateral triangular arrangement is investigated using the immersed boundary method. The cylinders, with one placed upstream and the other two side-by-side downstream, are free to vibrate in the cross-flow direction. The cylinder center-to-center spacing L is adopted as L/D = 2.0. Other parameters include the Reynolds number Re = 100, mass ratio $m^*=2.0$, reduced velocity $U_r=2{\sim}15$ and damping ratio ${\zeta}=0$. Cylinder vibration responses are dependent on $U_r$ and classified into five regimes, i.e. Regime I ($U_r{\leq}3.2$), Regime II ($3.2<U_r{\leq}5.0$), Regime III ($5.0<U_r{\leq}6.4$), Regime IV ($6.4<U_r{\leq}9.2$) and Regime V ($U_r>9.2$). Different facets of vibration amplitude, hydrodynamic forces, wake patterns and displacement spectra are extracted and presented in detail for each regime.
In this study, we consider heat transfer enhancement in laminar channel flow by means of an infinite streamwise array of equispaced identical circular cylinders. This flow configuration can be regarded as a model representing a micro channel or an internal heat exchanger with cylindrical vortex generators. A numerical parametric study has been carried out by varying Reynolds number based on the bulk mean velocity and the cylinder diameter, and the gap between the cylinders and the channel wall. An immersed boundary method was employed to facilitate to implement the cylinders on a Cartesian grid system. No-slip condition is employed at all solid boundaries including the cylinders, and the flow is assumed to be periodic in the streamwise direction. Also, the Prandtl number is fixed as 0.7. For thermal boundary conditions on the solid surfaces, it is assumed that heat flux is constant on the channel walls, while the cylinder surfaces remain adiabatic. The presence of the circular cylinders arranged periodically in the streamwise direction causes a significant topological change of the flow, leading to heat transfer enhancement on the channel walls. The Nusselt number averaged on the channel wall is presented for the wide ranges of Reynolds number and the gap. A significant heat transfer enhancement is noticed when the gap is larger than 0.8, while the opposite is the case for smaller gaps. More quantitative results as well as qualitative physical explanations are presented to justify the effectiveness of varying the gap to enhance heat transfer from the channel walls.
Most material of engineering interest undergoes solidification process from liquid to solid state. Identifying the underlying mechanism during solidification process is essential to determine the microstructure of material which governs the physical properties of final product. In this paper, we expand our previous two-dimensional numerical technique to three-dimensional simulation for computing dendritic solidification process with fluid convection. We used Level Contour Reconstruction Method to track the moving liquid-solid interface and Sharp Interface Technique to correctly implement phase changing boundary condition. Three-dimensional results showed clear difference compared to two-dimensional simulation on tip growth rate and velocity.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.12
no.1
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pp.343-353
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2020
Based on the Precise Transfer Matrix Method (PTMM), the dynamic model is constructed to observe the vibration behaviour of cylindrical shells with variable thickness by solving a set of first-order differential equations. The free vibration of stiffened cylindrical shells with variable thickness can be obtained to compare with the exact solution and FEM results. The reliability of the present method of free vibration is well proved. Furthermore, the effect of thickness on the vibration responses of the cylindrical shell is also discussed. The acoustic response of immersed cylindrical shells is analyzed by a Pluralized Wave Superposition Method (PWSM). The sound pressure coefficient can be gained by collocating points along the meridian line to satisfy the Neumann boundary condition. The mode convergence analysis of the cylindrical shell is carried out to guarantee calculation precision. Also, the reliability of the present method on sound radiation is verified by comparing with experimental results and numerical results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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