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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.3.2013.tde-22092014-110644
Document
Author
Full name
Flávia Milo dos Santos
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2013
Supervisor
Committee
Pesce, Celso Pupo (President)
Aranha, José Augusto Penteado
Ragazzo, Clodoaldo Grotta
Simos, Alexandre Nicolaos
Sphaier, Sergio Hamilton
Title in Portuguese
Impacto hidrodinâmico vertical de corpos axissimétricos através de uma abordagem variacional.
Keywords in Portuguese
Abordagem GvKM
Impacto vertical de corpos axissimétricos
Método numérico variacional
Problema de impacto hidrodinâmico
Técnicas dessingularizadas
Abstract in Portuguese
Do ponto de vista da hidrodinâmica clássica, o problema de impacto hidrodinâmico configura-se como um problema de contorno com fronteiras móveis cuja posição deve ser determinada simultaneamente à solução da equação de campo. Essa característica traz dificuldades para obtenção de soluções analíticas e numéricas. Nesse sentido, o presente trabalho propõe o desenvolvimento de um método numérico específico para analisar o problema de impacto hidrodinâmico de corpos sólidos rígidos contra a superfície livre da água. A solução da equação dinâmica não linear do problema de impacto depende da determinação do tensor de massa adicional a cada instante de tempo, o qual depende da posição e atitude do corpo no instante considerado. Um método variacional específico é empregado, através do qual os coeficientes de massa adicional são determinados com erro de segunda ordem, na posição considerada. Tal método é exemplo de técnicas numéricas dessingularizadas, através das quais o potencial de velocidade é aproximado em um espaço finito-dimensional formado por funções-teste derivadas de soluções potenciais elementares, tais como pólos, dipolos, anéis de dipolos, de vórtices, etc. O problema potencial de impacto hidrodinâmico, que se caracteriza pela dominância das forças de inércia, é formulado admitindo-se a superfície líquida como equipotencial, o que permite a analogia com o limite assintótico de frequência infinita do problema de radiação de ondas causada pelo movimento de corpos flutuantes. O método desenvolvido é então aplicado ao caso de impacto vertical de corpos axissimétricos, formulando o problema sob o chamado modelo de von Kármán generalizado (GvKM). Nesse modelo as condições de contorno na geometria exata do corpo são satisfeitas, porém os efeitos do empilhamento de água junto às raízes do jato, que se forma ao longo da intersecção com a superfície livre, não são considerados no caso geral. Resultados numéricos do coeficiente de massa adicional para uma família de esferoides são apresentados e tabulados para o pronto uso em análise e projeto. Além disso, considerações acerca da inclusão do efeito de empilhamento de água junto às raízes do jato, ou seja, da elevação da superfície livre são também feitas para o caso de esferas, fazendo uso de abordagens analíticas encontradas na literatura especializada.
Title in English
Vertical hydrodynamic impact of axisymmetric bodies through a variational approach.
Keywords in English
Desingularized techniques
GvKM approach
Hydrodynamic impact problem
Variational numerical method
Vertical impact of axisymmetric bodies
Abstract in English
In terms of classical hydrodynamics, the hydrodynamic impact problem is characterized as a boundary problem with moving boundary which position must be determined simultaneously with the solution of the field equation. This feature brings difficulties to get analytical and numerical solutions. In this sense, the purpose of this work is to present a variational method technique specifically designed for the hydrodynamic impact problem of axisymmetric rigid bodies on the free surface. The solution of the nonlinear dynamic equation of the impacting motion depends on the determination of the added mass tensor and its derivative with respect to time at each integration time step. This is done through a variational method technique that leads to a second-order error approximation for the added mass if a first-order error approximation is sought for the velocity potential. This method is an example of desingularized numerical techniques, through which the velocity potential is approximated in a sub-space of finite dimension, formed by trial functions derived from elementary potential solutions, such as poles, dipoles, and vortex rings, which are placed inside the body. The potential problem of hydrodynamic impact, characterized by the dominance of inertial forces, is here formulated by assuming the liquid surface as equipotential, what allows the analogy with the infinity frequency limit in the usual free surface oscillating floating body problem. The method is applied to the vertical hydrodynamic impact of axisymmetric bodies within the so-called Generalized von Kármán Model (GvKM). In such approach, the exact body boundary condition is full-filled and the wet correction is not taken into account. Numerical results for the added mass coefficient for a family of spheroids are presented. Moreover, considerations are made on the effects of the free surface elevation for the specific case of an impacting sphere, through analytical approaches.
 
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Publishing Date
2014-10-09
 
WARNING: The material described below relates to works resulting from this thesis or dissertation. The contents of these works are the author's responsibility.
  • CASETTA, Leonardo, Pesce, Celso P., and SANTOS, F. M. On the hydrodynamic vertical impact problem: an analytical mechanics approach. Marine Systems & Ocean Technology, 2011, vol. 6, p. 47-57.
  • Pesce, Celso P., SANTOS, FLÁVIA M. DOS, and CASETTA, Leonardo. On the Equation of Motion Governing the Dynamics of Vertically Collapsing Buildings [doi:10.1061/(asce)em.1943-7889.0000453]. Journal of Engineering Mechanics [online], 2012, vol. online, p. 1-23.
  • SANTOS, FLÁVIA M., CASETTA, Leonardo, and Pesce, Celso P. Application of a variational method to the vertical hydrodynamic impact of axisymmetric bodies [doi:10.1016/j.apor.2012.10.002]. Applied Ocean Research [online], 2013, vol. 39, p. 75-82.
  • SANTOS, F. M., and Pesce, Celso P. Further applications of a variational method to the vertical hydrodynamic impact of axisymmetric bodies. In COBEM2013, R. Preto, 2013. 22nd International Congress of Mechanical Engineering.RJ : ABCM, 2013.
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