Seismic response of two dimensional liquid tanks is numerically simulated using fully nonlinear velocity potential theory. Galerkin-weighted-residual based finite element method is used for solving the governing Laplace equation with fully nonlinear free surface boundary conditions and also for velocity recovery. Based on mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method, fourth order explicit Runge-Kutta scheme is used for time integration of free surface boundary conditions. A cubic-spline fitted regridding technique is used at every time step to eliminate possible numerical instabilities on account of Lagrangian node induced mesh distortion. An artificial surface damping term is used which mimics the viscosity induced damping and brings in numerical stability. Four earthquake motions have been suitably selected to study the effect of frequency content on the dynamic response of tank-liquid system. The nonlinear seismic response vis-a-vis linear response of rectangular liquid tank has been studied. The impulsive and convective components of hydrodynamic forces, e.g., base shear, overturning base moment and pressure distribution on tank-wall are quantified. It is observed that the convective response of tank-liquid system is very much sensitive to the frequency content of the ground motion. Such sensitivity is more pronounced in shallow tanks.
In this study, the wave profiles and kinematics of highly nonlinear waves at various water depths were calculated using a 2D fully nonlinear Numerical Wave Tank (NWT). The NWT was developed based on the Boundary Element Method (BEM) with the potential theory and the mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) time marching scheme by 4th-order Runge-Kutta time integration. The spatial variation of intermediate-depth waves along the direction of wave propagation was caused by the unintended generation of 2nd-order free waves, which were originally investigated both theoretically and experimentally by Goda (1998). These free waves were induced by the mismatch between the linear motion of wave maker and nonlinear displacement of water particles adjacent to the maker. When the 2nd-order wave maker motion was applied, the spatial modulation of the waves caused by the free waves was not observed. The respective magnitudes of the nonlinear wave components for various water depths were compared. It was found that the high-order wave components greatly increase as the water depth decreases. The wave kinematics at various locations were calculated and compared with the linear and the Stokes 2nd-order theories.
In the recent decade, practical of wavelet technique is being utilized in various domain of science. Particularly, engineers are interested to the wavelet solution method in the time series analysis. Fundamentally, seismic responses of structures against time history loading such as an earthquake, illustrates optimum capability of systems. In this paper, a procedure using particularly discrete Haar wavelet basis functions is introduced, to solve dynamic equation of motion. In the proposed approach, a straightforward formulation in a fluent manner is derived from the approximation of the displacements. For this purpose, Haar operational matrix is derived and applied in the dynamic analysis. It's free-scaled matrix converts differential equation of motion to the algebraic equations. It is shown that accuracy of dynamic responses relies on, access of load in the first step, before piecewise analysis added to the technique of equation solver in the last step for large scale of wavelet. To demonstrate the effectiveness of this scheme, improved formulations are extended to the linear and nonlinear structural dynamic analysis. The validity and effectiveness of the developed method is verified with three examples. The results were compared with those from the numerical methods such as Duhamel integration, Runge-Kutta and Wilson-${\theta}$ method.
This paper aims to study the large deflections of variable-arc-length elastica subjected to the terminal forces (e.g., axial force and torque). Based on Kirchhoff's rod theory and with help of Euler parameters, the set of nonlinear governing differential equations which free from the effect of singularity are established together with boundary conditions. The system of nonlinear differential equations is solved by using the shooting method with high accuracy integrator, seventh-eighth order Runge-Kutta with adaptive step-size scheme. The error norm of end conditions is minimized within the prescribed tolerance ($10^{-5}$). The behavior of VAL elastica is studied by two processes. One is obtained by applying slackening first. After that keeping the slackening as a constant and then the twist angle is varied in subsequent order. The other process is performed by reversing the sequence of loading in the first process. The results are interpreted by observing the load-deflection diagram and the stability properties are predicted via fold rule. From the results, there are many interesting aspects such as snap-through phenomenon, secondary bifurcation point, loop formation, equilibrium configurations and effect of variable-arc-length to behavior of elastica.
Bragg reflection of nonlinear waves is simulated by a 2D fully nonlinear numerical wave tank (NWT). The developed NWT was based on the Boundary Element Method (BEM) with potential theory and the mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) time marching scheme with Runge-Kutta 4th-order time integration. A spatial variation of wave elevations and their Fourier amplitudes of each component are compared to investigate the effect of sea bottom ripples and their relative heights. The incident waves over an undulated sea bottom are partially reflected and changed to partial standing waves due to Bragg reflection. The present results are verified with linear calculations and experimental data. It is found that the 1st-order wave component is mainly affected by Bragg reflection and its spatial modulation is significant in front of the bottom ripples.
Journal of Korean Society of Occupational and Environmental Hygiene
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v.21
no.4
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pp.185-192
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2011
To predict contaminant concentrations within a multi-zone work environment, an air quality model in the work environment was developed. To do this, airflow equations on the basis of orifice equation were solved by using the Conte and De Boor scheme, and then equations for the conservation of mass on contaminant were solved by using the fourth-order Runge-Kutta algorithm. To validate the accuracy of simulated results, this model was applied to the controlled environment chamber that had been tested in 1998 by Chung KC. The comparison of predicted concentrations by this study with measured concentrations by the Chung KC indicated that the average deviations were 2.66, 3.35, and 3.15% for zone 1, zone 2, and zone 3, respectively. Also, this model was applied to a working plant with four zones. Thus, the results of contaminant concentration versus time were predicted according to the schedule of the openings operation, and case studies were done for four cases of the openings operation to investigate the interaction of airflow and contaminant concentration. The results indicated that opening operation schedules had a significant effect on contaminant removal efficiency. Therefore, this model might be able to apply for the design of ventilation schedules to control contaminants optimally.
This paper deals with dynamic analysis of Pipeline Inspection Gauge (PIG) flow control in natural gas pipelines. The dynamic behaviour of PIG depends on the pressure differential generated by injected gas flow behind the tail of the PIG and expelled gas flow in front of its nose. To analyze dynamic behaviour characteristics (e.g. gas flow, the PIG position and velocity) mathematical models are derived. Tow types of nonlinear hyperbolic partial differential equations are developed for unsteady flow analysis of the PIG driving and expelled gas. Also, a non-homogeneous differential equation for dynamic analysis of the PIG is given. The nonlinear equations are solved by method of characteristics (MOC) with a regular rectangular grid under appropriate initial and boundary conditions. Runge-Kutta method is used for solving the steady flow equations to get the initial flow values and for solving the dynamic equation of the PIG. The upstream and downstream regions are divided into a number of elements of equal length. The sampling time and distance are chosen under Courant-Friedrich-Lewy (CFL) restriction. Simulation is performed with a pipeline segment in the Korea gas corporation (KOGAS) low pressure system. Ueijungboo-Sangye line. The simulation results show that the derived mathematical models and the proposed computational scheme are effective for estimating the position and velocity of the PIG with a given operational condition of pipeline.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2004.03a
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pp.186-191
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2004
The reactive flowfield of the transverse injecting combustor has been studied using Euler-Lagrange method in order to develop an efficient solution procedure for the understanding of liquid spray combustion in the transverse injecting combustor which has been widely used in ramjets and turbojet afterburners. The unsteady two-dimensional gas-phase equations have been represented in Eulerian coordinates and the liquid-phase equations have been formulated in Lagrangian coordinates. The gas-phase equations based on the conservation of mass, momentum, and energy have been supplemented by combustion. The vaporization model takes into account the transient effects associated with the droplet heating and the liquid-phase internal circulation. The droplet trajectories have been determined by the integration of the Lagrangian equation in the flow field obtained from the separate calculation without considering the iterative effect between liquid and gas phases. The reported droplet trajectories had been found to deviate from the initial conical path toward the flow direction in the very end of its lifetime when the droplet size had become small due to evaporation. The integration scheme has been based on the TEACH algorithm for gas-phase equation, the second order Runge-Kutta method for liquid-phase equations and the linear interpolation between the two coordinate systems. The calculation results has shown that the characteristics of the droplet penetration and recirculation have been strongly influenced by the interaction between gas and liquid phases in such a way that most of the vaporization process has been confined to the wake region of the injector, thereby improving the flame stabilization properties of the flowfield.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.3
no.1
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pp.74-85
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2002
The numerical experiment has been conducted to investigate the unsteady shock wave reflecting phenomena. The cell-vertex finite-volume, Roe's upwind flux difference splitting method with unstructured grid is implemented to solve unsteady Euler equations. The $4^{th}$-order Runge-Kutta method is applied for time integration. A linear reconstruction of the flux vector using the least-square method is applied to obtain the $2^{nd}$-order accuracy for the spatial derivatives. For a better resolution of the shock wave and slipline, the dynamic grid adaptation technique is adopted. The new concept of grid adaptation technique, which is much simpler than that of conventional techniques, is introduced for the current study. Three error indicators (divergence and curl of velocity, and gradient of density) are used for the grid adaptation procedure. Considering the quality of the solution and the numerical efficiency, the grid adaptation procedure was updated up to $2^{nd}$ level at every 20 time steps. For the convenience of comparison with other experimental and analytical results, the case of interaction between the straight incoming shock wave and a sharp wedge is simulated for various flow conditions. The numerical results show good agreement with other experimental and analytical results, in the shock wave reflecting structure, slipline, and the trajectory of the triple points. Some critical cases show disagreement with the analytical results, but these cases also have been proven to show hysteresis phenomena.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.526-529
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2004
Arches are one of the most important basic structural units as well as the beams, columns and plates. Most complicated structures consist of only these basic units and therefore it is very attractive research subject to analysis both the static and dynamic behavior of such units including the arches. This study deals with the free vibration of arbitrary shaped arches. In order to obtain the exactly arch shape, which surveyed (x, y) of neutral axis of arbitrary shaped arches are compared to various shape of arch: circular, parabolic, sinusoidal, elliptic, spiral and cartenary. The differential equations governing free vibrations of arches are merely adopted in the open literature rather than deriving the equations in this study. The Taylor series method is used as the numerical differential scheme. The Runge-Kutta method and the Regula-Falsi method, respectively, are used to integrate the governing differential equations and to compute the natural frequencies It is expected that results obtained herein can be practically utilized in the fields of vibration control.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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