A fully submerged horizontal circular cylinder close to a free surface moves horizontally below the free surface in a still fluid. Vortex shedding and surface waves are observed according to the relevant Froude number (based on the cylinder diameter) and the gap ratio (distance between the cylinder and the free surface non-dimensionalized by the cylinder diameter). Both constrained and unconstrained cases are considered in terms of the vertical motion of the cylinder due to the vortex shedding. Overall, associated with the vortex shedding, five different surface-wave phenomena are observed; no waves, small-amplitude waves, surging breaking waves, collapsing breaking waves (observed only in unconstrained cases), straight-streamline jet-like flows over the upper surface of the cylinder. In the case of no wave motion and small amplitude wave, Karman vortex is formed. However, in the surging wave, a new vortex layer is formed when the free surface is broken due to abrupt deformation of the free surface. This vortex layer affects the vortex shedding behind a cylinder, so that the oscillating amplitude of the cylinder is not constant. When the vibration of the cylinder become significantly larger, a collapsing wave is formed and the oscillating amplitude of the cylinder is kept constant. Jet-like flow is a diagonal flow formed at a close distance from the free surface to the cylinder surface, suppressing vortex shedding and reducing cylinder vibration. In particular, for a constant gap ratio, the jet-like flow becomes steeper as the Froude number increases and, for a constant Froude number, the jet-like flow becomes steeper as the gap ratio decreases. In the presence of a free surface, there have been few studies involving both constrained cylinders and unconstrained cylinders. Therefore, the results of this study are expected to help to analyze the hydrodynamic characteristics that occur when an underwater structure is placed close to a free surface.
자유 표면에 가까운 완전히 잠긴 수평 원형 실린더가 정지 유체의 자유 표면 아래에서 수평으로 움직인다. 이에 따라 발생하는 와류 발산 및 표면파가 Froude 수 (실린더 지름을 기준으로 함) 및 gap ratio (실린더와 자유 표면 사이의 거리를 실린더 지름으로 나눈 무차원수)에 따라 관찰되었다. 구속된 실린더 및 구속되지 않는 실린더의 경우 와류 발산으로 인한 실린더의 수직 운동의 관점에서 고려되었다. 와류 발산과 관련하여 5 가지 표면파 현상이 관찰되었다; no waves, small-amplitude waves, surging breaking waves, collapsing breaking waves (구속되지 않은 실린더 경우에만 해당), jet-like flow. no waves, small-amplitude waves 경우 카르만 소용돌이가 형성된다. 그러나 surging breaking waves에서는 자유 표면의 갑작스런 변형으로 인해 자유 표면이 파손될 때 새로운 와류 층이 형성된다. 이 와류 층은 실린더 뒤에 있는 와류에 영향을 미치므로 실린더의 진동 진폭은 일정하지 않다. 실린더의 진동이 상당히 커지면 collapsing waves가 형성되고 실린더의 진동 진폭은 일정하게 유지된다. jet-like flow 은 자유 표면에서 실린더 표면까지 가까운 거리에서 형성된 대각선 유동으로, 와류 발산을 억제하고 실린더 진동을 감소시킨다. 특히, 일정한 gap ratio에 대하여, Froude 수가 증가함에 따라 제트 유동이 가파르게 되고, Froude 수가 일정 할 때, gap ratio 가 감소함에 따라 제트 유동이 가파르게 된다. 자유 표면이 존재할 때, 구속 된 실린더와 구속되지 않은 실린더의 경우를 모두 포함하는 연구는 이제까지 거의 없었다. 따라서 이 연구의 결과는 수중 구조물이 자유 표면에 가까이 위치할 때 발생하는 유체역학적 특성을 분석하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
