A more complete two-dimensional vertical numerical model has been developed to describe the saltwater intrusion in an estuary. The model is based on the previous studies in order to obtain a better accuracy. The non-linear terms of the governing equations are analyzed and the $\sigma$-coordinate system is employed in the vertical direction with full transformation which is recently issued in several studies because numerical errors can be generated during the coordinate transformation of the diffusion term. The advection terms of the governing equations are discretized by an upwind scheme in second-order of accuracy. By employing an explicit scheme for the longitudinal direction and an implicit scheme for the vertical direction, the numerical model is free from the restriction of temporal step size caused by a relatively small grid ratio. In previous researches, some terms induced from the transformation have been intentionally excluded since they are asked the complicate discretization of the numerical model. However, the lack of these terms introduces significant errors during the numerical simulation of scalar transport problems, such as saltwater intrusion and sediment transport in an estuary. The numerical accuracy attributable to the full transformation is verified by comparing results with a previous model in a simply sloped topography. The numerical model is applied to the Han River estuary. Very reasonable agreements for salinity intrusion are observed.
Effect of the nonuniform grid on the two-dimensional transport equation was investigated in terms of theoretical analysis and finite difference method (FDM). The nonuniform grid having a typical structure of the numerical weather forecast model was incorporated in the vertical direction, while the uniform grid was used in the zonal direction. The staggered and non-staggered grid were placed in the vertical and zonal direction, respectively. Time stepping was performed with the third-order Runge Kutta scheme. An error analysis of the spatial discretization on the nonuniform grid was carried out, which indicated that the combined effect of the nonuniform grid and advection velocity produced either numerical diffusion or numerical adverse-diffusion. An analytic function is used for the quantitative evaluation of the errors associated with the discretized transport equation. Numerical experiments with the non-uniformity of vertical grid were found to support the analysis.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제1권1호
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pp.20-28
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2009
In thus paper we validate a numerical model for wave-structure interaction by comparing numerical results with laboratory data. The numerical model is based on the Navier-Stokes (N-S) equations for an incompressible fluid. The N-S equations are solved by a two-step projection finite volume scheme and the free surface displacements are tracked by the volume of fluid (VOF) method The numerical model is used to simulate solitary waves and their interaction with a group of slender vertical piles. Numerical results are compared with the laboratory data and very good agreement is observed for the time history of free surface displacement, fluid particle velocity and wave force. The agreement for dynamic pressure on the cylinder is less satisfactory, which is primarily caused by instrument errors.
A three-dimensional (3D) numerical model of the vertical ground-coupled heat exchanger is useful for analyzing the modern ground source heat pump system. Furthermore, a detailed description of the inner side of the exchanger allows to account for the effects of the thermal capacity. Thus, both methods are included in the proposed numerical model. For the ground portion, a FDM (Finite Difference Method) scheme has been applied using the Cartesian coordinate system. Cylindrical grids are applied for the borehole portion, and the U-tube configuration is adjusted at the grid, keeping the area and distance unchanged. Two sub-models are numerically coupled at each time-step using an iterative method for convergence. The model is validated by a reference 3D model under a continuous heat injection case. The results from a periodic heat injection input show that the proposed thermal capacity model reacts more slowly to the changes, resulting in lower borehole wall temperatures, when compared with a thermal resistance model. This implies that thermal capacity effects may be important factors for system controls.
As Simpson et al. (1990) emphasized the importance of the straining process in the stratification and mixing in the estuarine circulation process, various researches have investigated on the relative contribution of each process to the overall potential energy anomaly dynamics. However, many numerical works have done only for two dimensional modeling along channel or the short distance cross sectional three dimensional simulations as Burchard et al. (2008) and the estuarine channel was not simulated so far. But, in the study on the physics of shallow coastal seas, spatial dimension in the three dimensional way affects significantly on results of a particular numerical model. Therefore, the comparison of two and three dimensional models is important to understand the real physics of mixing and stratification in an estuary. Also, as Geyer and MacCready (2013) pointed out that the lateral process seems to be important in determining the periodic stratifications, to study such process the three dimensional modeling must be required. The present study uses a numerical model to show the signification roles of each term of the time-dependent dynamic equation for the potential energy anomaly (PEA) in controlling along and lateral channel flows and different stratification structures. Moreover, we present the relationships between the ${\Phi}$-advection, the depth mean straining, vertical mixing and vertical advection can explain well how water level, salinity distribution and across velocity 2D model are slightly different from 3D.
The two-stage numerical model was used to study the relation between three-dimensional local wind model, advection/diffusion model of random walk method and second moment method on Pusan coastal area. The first stage is three dimensional time-dependent local wind model which gives the wind field and vertical dirrusion coefficient. The second stage is advection/diffusion model which uses the results of the first stage as input data. First, wind fields on Pusan coastal area for none synoptic scale wind showed typical land and sea breeze circulation, and convergence zone occured at 1200LST in northern of domain, in succession, moved northward of domain. Emissions from Sinpyeong industrial district were trasnported toward the inland by sea breeze during daytime, and reached the end part of domain about 1800LST. During nighttime, emissions return to sea by land breeze and vertical diffusion also contributes to upward transport. In order to use this model for forecast of air pollution concentration on the Pusan coastal area, it is necessary that computed value must be compared with measured value and wind fields model must also be dealt in detail.
2차원 표층밀도분류의 내부흐름의 구조를 동역학적으로 구명하기 위해서는 수평방향의 운동방정식과 더불어, 근사되지 않은 완전한 연직방향 운동방정식에 의해 유체의 운동을 계산해야할 필요가 있다. 본 연구에서는 정수압근사를 도입하지 않은 기초방정식을 갖는 k-e 모델을 개발하여 정수압근사를 도입한 허재영등의 연구(1991)에서 얻어진 결과 및 중십(1984)의 실험결과와 비교하여 표층밀도분류의 전개과정에 있어서 연직방향 가속도 및 그 영향을 정량적으로 평가하였다.
The one-dimensional Two-Fluid concept uses an area-average approach to simplify the time and phase-averaged Two-Fluid conservation equations, making it more suitable for addressing difficulties at an industrial scale. Nevertheless, the mathematical framework has inherent weaknesses due to the loss of details throughout the averaging procedures. This limitation makes the conventional model inappropriate for some flow regimes, where short-wavelength perturbations experience uncontrolled amplification, leading to solutions that need to be physically accurate. The critical factor in resolving this problem is the integration of closure relations. These relationships play a crucial function in reintroducing essential physical characteristics, thus correcting the loss that occurs during averaging and guaranteeing the stability of the model. To improve the accuracy of predictions, it is essential to assess the stability and grid dependence of one-dimensional formulations, which are particularly affected by closure relations and numerical schemes. The current research presented in the text focuses on improving the well-posedness of the TFM, specifically within the TRACE code, which is widely utilized for nuclear reactor safety assessments. Incorporating a bubble collision model in the momentum equations is demonstrated to enhance the TFM's resilience, especially in scenarios with high void fractions where conventional TFMs may face challenges. The analysis presents a linear stability analysis performed for the transient one-dimensional Two-Fluid Model of system code TRACE within the framework of vertically dispersed flows. The main emphasis is on evaluating the stability characteristics of the model while also acknowledging its susceptibility to closure relations and numerical techniques.
A numerical simulation technique of three-dimensional finite difference model is developed to study the groundwater flow system in Dcjima, an upland area which faces Kasumigaura Lake. For general perspectives of the groundwater flow system, a steady state three-dimentional model is simulated. For the sedimentary mud formations which are found in the representative formation, three situations of hydraulic conductivity are considered, representing an isotropic condition and situations where the horizontal permeability is equal to 10 times and 100times of the vertical one. The finite difference grid used in the simulation has 60x50x30=90,000 nodes. A converged solution with a tolerance of 0.001 meter of hydraulic head is set. Having determined the flow net by using a steady state three-dimensional model. the results for the three cases of hydraulic conductivity are compared with the results of tracer methods (Bae and Kayane 1987) With the aid of four representative vertical cross-sections, groundwater flow systems in the study area are assumed. Water balances for the three cases indicate very good agreement between total recharge and discharge in each case Analyses of groundwater flow system based on the tritium concentrations and water quality measurements (Bae and Kayane 1987) are confirmed by the numerical simulation and the results obtained by these two methods appeared to be in close agreement.
A preceding companion article introduced the slot jet approach for large-scale quasi-steady modelling of a downburst outflow. This article extends the approach to model the time-dependent features of the outflow. A two-dimensional slot jet with an actuated gate produces a gust with a dominant roll vortex. Two designs for the gate mechanism are investigated. Hot-wire anemometry velocity histories and profiles are presented. As well, a three-dimensional, subcloud numerical model is used to approximate the downdraft microphysics, and to compute stationary and translating outflows at high resolution. The evolution of the horizontal and vertical velocity components is examined. Comparison of the present experimental and numerical results with field observations is encouraging.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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