Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.17
no.4
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pp.238-266
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2013
The Interaction Picture (IP) method is a valuable alternative to Split-step methods for solving certain types of partial differential equations such as the nonlinear Schr$\ddot{o}$dinger equation or the Gross-Pitaevskii equation. Although very similar to the Symmetric Split-step (SS) method in its inner computational structure, the IP method results from a change of unknown and therefore do not involve approximation such as the one resulting from the use of a splitting formula. In its standard form the IP method such as the SS method is used in conjunction with the classical 4th order Runge-Kutta (RK) scheme. However it appears to be relevant to look for RK scheme of higher order so as to improve the accuracy of the IP method. In this paper we investigate 5th order Embedded Runge-Kutta schemes suited to be used in conjunction with the IP method and designed to deliver a local error estimation for adaptive step size control.
In this paper, we propose an error embedded Runge-Kutta method to improve the traditional embedded Runge-Kutta method. The proposed scheme can be applied into most explicit embedded Runge-Kutta methods. At each integration step, the proposed method is comprised of two equations for the solution and the error, respectively. These solution and error are obtained by solving an initial value problem whose solution has the information of the error at each integration step. The constructed algorithm controls both the error and the time step size simultaneously and possesses a good performance in the computational cost compared to the original method. For the assessment of the effectiveness, the van der Pol equation and another one having a difficulty for the global error control are numerically solved. Finally, a two-body Kepler problem is also used to assess the efficiency of the proposed algorithm.
A novel approach that the smart control of robotics can be realized by a fuzzy controller and an appropriate Runge-Kutta scheme in this paper. A recently proposed integral inequality is selected based on the free weight matrix, and the less conservative stability criterion is given in the form of linear matrix inequalities (LMIs). We demonstrate that this target information obtained through image processing is subjected to smart control with computer-vision robotic to Arduino, and the infrared beacon was utilized for the operation of practical illustrations. A fuzzy controller derived with a fuzzy Runge-Kutta type functions is injected into the system and then the system is stabilized asymptotically. In this study, a fuzzy controller and a fuzzy observer are proposed via the parallel distributed compensation technique to stabilize the system. This paper achieves the goal of real-time following of three vehicles and there are many areas where improvements were made. Finally, each information is transmitted to Arduino via I2C to follow the self-propelled vehicle. The proposed calculation is approved in reproductions and ongoing smart control tests.
This paper presents the Runge-Kutta neural networks(RKNN's) using the Runge-Kutta approximation method and the orthogonal function for control of unknown dynamical systems described by ordinary differencial equations in high accuracy. These subnetworks of RKNN's are based on orthogonal function. Computer simulations show the usefulness of the proposed scheme.
A dependence of weighting parameter in preconditioning method for solving low Mach number flow with incompressible flow nature is investigated. The present preconditioning method employs a finite-difference method applied Roe‘s flux difference splitting approximation with the MUSCL-TVD scheme and 4th-order Runge-Kutta method in curvilinear coordinates. From the computational results of benchmark flows through a 2-D backward-facing step duct it is confirmed that there exists a suitable value of the weighting parameter for accurate and stable computation. A useful method to determine the weighting parameter is introduced. With this method, high accuracy and stable computational results were obtained for the flow with low Mach number in the range of Mach number less than 0.3.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.23
no.3
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pp.211-236
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2019
This paper is devoted to the study and investigation of the Runge-Kutta discontinuous Galerkin method for a system of differential equations consisting of two hyperbolic conservation laws. The numerical coupling flux which is used at a given interface (x = 0) is the upwind flux. Moreover, in the linear case, we derive optimal convergence rates in the $L_2$-norm, showing an error estimate of order ${\mathcal{O}}(h^{k+1})$ in domains where the exact solution is smooth; here h is the mesh width and k is the degree of the (orthogonal Legendre) polynomial functions spanning the finite element subspace. The underlying temporal discretization scheme in time is the third-order total variation diminishing Runge-Kutta scheme. We justify the advantages of the Runge-Kutta discontinuous Galerkin method in a series of numerical examples.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.31
no.3
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pp.87-99
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1994
Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are solved numerically for the computation of turbulent flow around a Wigley double model. A second order finite difference method is applied for the spatial discretization on the nonstaggered grid system and 4-stage Runge-Kutta scheme for the numerical integration in time. In order to increase the time step, residual averaging scheme of Jameson is adopted. Pressure field is obtained by solving the pressure-Poisson equation with the appropriate Neumann boundary condition. For the turbulence closure, 0-equation turbulence model of Baldwin-Lomax is used. Numerical computation is carried out for the Reynolds number of 4.5 million. Comparisons of the computed results with the available experimental data show good agreements for the velocity and pressure distributions.
A high resolution numerical method aimed at solving gas-liquid two-phase flow is proposed and applied to gas-liquid two-phase shock tube problem. The present method employs a finite-difference 4th-order Runge-Kutta method and Roe's flux difference splitting approximation with the MUSCL TVD scheme. By applying the homogeneous equilibrium cavitation model, the present density-based numerical method permits simple treatment of the whole gas-liquid two-phase flow field, including wave propagation and large density changes. The speed of sound for gas-liquid two-phase media is derived on the basis of thermodynamic relations and compared with that by eigenvalues. By this method, a Riemann problem for Euler equations of one dimensional shock tube was computed. Numerical results such as detailed observations of shock and expansion wave propagations through the gas-liquid two-phase media and some data related to computational efficiency are made. Comparisons of predicted results and exact solutions are provided and discussed.
A high resolution numerical method aimed at solving cavitating flow is proposed and applied to gas-liquid two-phase shock tube problem. The present method employs a finite-difference 4th-order Runge-Kutta method and Roe's flux difference splitting approximation with the MUSCL TVD scheme. By applying the homogeneous equilibrium cavitation model, the present density-based numerical method permits simple treatment of the whole gas-liquid two-phase flow field, including wave propagation and large density changes. The speed of sound for gas-liquid two-phase media is derived on the basis of thermodynamic relations and compared with that by eigenvalues. By this method, a Riemann problem for Euler equations of one dimensional shock tube was computed. Numerical results such as detailed observations of shock and expansion wave propagations through the gas-liquid two-phase media at isothermal condition and some data related to computational efficiency are made. Comparisons of predicted results and exact solutions are provided and discussed.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.1
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pp.572-583
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2019
This paper aims to assess the applicability of the Runge Kutta Discontinuous Galerkin-Direct Ghost Fluid Method to the internal explosion inside a water-filled tube, which previously was studied by many researchers in separate works. Once the explosive charge located at the inner center of the water-filled tube explodes, the tube wall is subjected to an extremely high intensity fluid loading and deformed. The deformation causes a modification of the field of fluid flow in the region near the water-structure interface so that has substantial influence on the response of the structure. To connect the structure and the fluid, valid data exchanges along the interface are essential. Classical fluid structure interaction simulations usually employ a matched meshing scheme which discretizes the fluid and structure domains using a single mesh density. The computational cost of fluid structure interaction simulations is usually governed by the structure because the size of time step may be determined by the density of structure mesh. The finer mesh density, the better solution, but more expensive computational cost. To reduce such computational cost, a non-matched meshing scheme which allows for different mesh densities is employed. The coupled numerical approach of this paper has fewer difficulties in the implementation and computation, compared to gas dynamics based approach which requires complicated analytical manipulations. It can also be applied to wider compressible, inviscid fluid flow analyses often found in underwater explosion events.
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