This paper describes a numerical method for predicting the incompressible unsteady laminar three-dimensional flows with free-surface. The Navier-Stokes equations governing the flows have been discretized by means of finite-difference approximations, and the resulting equations have been solved via the SIMPLE-C algorithm. The free-surface is defined by the motion of a set of marker particles and the interface behaviour was investigated by means of a "Lagrangian" technique. Using the GALA concept of Spalding, the conventional mass continuity equation is modified to form a volumetric or bulk-continuity equation. The use of this bulk-continuity relation allows the hydrodynamic variables to be computed over the entire flow domain including both liquid and gas regions. Thus, the free-surface boundary conditions are imposed implicitly and the problem formulation is greatly simplified. The numerical procedure is validated by comparing the predicted results of a periodic standing waves problems with analytic solutions. The results show that this numerical method produces accurate and physically realistic predictions of three-dimensional free-surface flows.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.14
no.3
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pp.219-228
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1998
In the present investigation, a numerical model developed for the prediction of the wind flow over complex terrain is validated by comparing with the field experiments. For the solution of the Reynolds - Averaged Clavier- stokes equations which are the governing equations of the microscale atmospheric flow, the model is constructed based on the finite-volume formulation and the SIMPLEC pressure-correction algorithm for the hydrodynamic computation. The boundary- fitted coordinate system is employed for the detailed depiction of topography. The boundary conditions and the modified turbulence constants suitable for an atmospheric boundary- layer are applied together with the k- s turbulence model. The full- scale experiments of Cooper's Ridge, Kettles Hill and Askervein Hill are chosen as the validation cases . Comparisons of the mean flow field between the field measurements and the predicted results show good agreement. In the simulation of the wind flow over Askervein Hill , the numerical model predicts the three dimensional flow separation in the downslope of the hill including the blockage effect due to neighboring hills . Such a flow behavior has not been simulated by the theoretical predictions. Therefore, the present model may offer the most accurate prediction of flow behavior in the leeside of the hill among the existing theoretical and numerical predictions.
Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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2005.09b
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pp.842-845
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2005
A method for the numerical simulation of two-dimensional free-surface flow resulting from the propagation of regular gravity waves over topography with arbitrary bottom shape is presented. The method is based on the numerical solution of the Euler equations subject to the fully nonlinear free-surface boundary conditions and the appropriate bottom, inflow and outflow conditions using a hybrid finite-differences and spectral-method scheme. The formulation includes a boundary-fitted transformation, and is suitable for extension to incorporate large-eddy simulation (LES) and large-wave simulation (LWS) terms for turbulence and breaking wave modeling, respectively. Results are presented for the simulation of the free-surface flow over two different bottom topographies, with constant slope values of 1:10 and 1:20, two different inflow wave lengths and two different inflow wave heights. An absorption outflow zone is utilized and the results indicate minimum wave reflection from the outflow boundary. Over the bottom slope, lengths of waves in the linear regime are modified according to linear theory dispersion, while wave heights remain more or less unchanged. For waves in the nonlinear regime, wave lengths are becoming shorter, while the free surface elevation deviates from its initial sinusoidal shape.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.22
no.7
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pp.379-390
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2018
In this study, a numerical approach based on mid-point integrated finite elements and a viscous boundary is proposed for time-domain wave-propagation analyses in infinite poroelastic media. The proposed approach is accurate, efficient, and easy to implement in time-domain analyses. In the approach, an infinite domain is truncated at some distance. The truncated domain is represented by mid-point integrated finite elements with real element-lengths and a viscous boundary is attached to the end of the domain. Given that the dynamic behaviors of the proposed model can be expressed in terms of mass, damping, and stiffness matrices only, it can be implemented easily in the displacement-based finite-element formulation. No convolutional operations are required for time-domain calculations because the coefficient matrices are constant. The proposed numerical approach is applied to typical wave-propagation and soil-structure interaction problems. The model is verified to produce accurate and stable results. It is demonstrated that the numerical approach can be applied successfully to nonlinear soil-structure interaction problems.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.21
no.3
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pp.502-506
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2012
Air bearing is characterized by its extremely low friction and cleanliness such that it is widely used especially for spindles with ultra-high rotational speed at several tens of thousands rpm. This paper contributes to design of a static radial air bearing suggesting numerical analysis to anticipate its performances. The numerical analysis is an iteration method based on finite difference formulation of the Reynolds equation. A prototype air bearing has been designed and manufactured. Its load capacity has been measured and compared with the numerical solutions. The result shows good consistency between the experiment and theory, which informs that the numerical analysis can be used as an useful tool to anticipate the performances. Effects of design variables on the bearing performance have been examined by Taguchi's experimental methods using orthogonal array. Number of holes for supplying pressurized air, clearance between shaft and bearing, the hole diameter and bearing length are chosen for the design variables. The result shows that the clearance and the bearing length are the most influential variables while the others can be considered as almost negligible.
In order to improve calculational efficiency of the CAPP code in the analysis of the hexagonal reactor core, we have tried to implement a refined AFEN method with transverse gradient basis functions and interface flux moments in the hexagonal geometry. The numerical scheme for the refined AFEN method adopted here is the response matrix method that uses the interface partial currents as nodal unknowns instead of the interface fluxes used in the original AFEN method. Since the response matrix method is single-node based, it has good properties such as good calculational efficiency and parallel computing affinity. Because a refined AFEN method equivalent nonlinear FDM response matrix method tried first could not provide a numerically stable solution, a direct formulation of the refined AFEN response matrix were developed. To show the numerical performance of this response matrix method against the original AFEN method, the numerical error analyses were performed for several benchmark problems including the VVER-440 LWR benchmark problem and the MHTGR-350 HTGR benchmark problem. The results showed a more than three times speedup in computing time for the LWR and HTGR benchmark problems due to good convergence and excellent calculational efficiency of the refined AFEN response matrix method.
Petit, Olivier;Bosioc, Alin I.;Nilsson, Hakan;Muntean, Sebastian;Susan-Resiga, Romeo F.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.4
no.1
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pp.199-208
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2011
This work presents numerical results, using OpenFOAM, of the flow in the swirl flow generator test rig developed at Politehnica University of Timisoara, Romania. The work shows results computed by solving the unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes equations. The unsteady method couples the rotating and stationary parts using a sliding grid interface based on a GGI formulation. Turbulence is modeled using the standard k-${\varepsilon}$ model, and block structured wall function ICEM-Hexa meshes are used. The numerical results are validated against experimental LDV results, and against design velocity profiles. The investigation shows that OpenFOAM gives results that are comparable to the experimental and design profiles. The unsteady pressure fluctuations at four different positions in the draft tube is recorded. A Fourier analysis of the numerical results is compared whit that of the experimental values. The amplitude and frequency predicted by the numerical simulation are comparable to those given by the experimental results, though slightly over estimated.
Cables are used in many applications such as cable-stayed bridges, suspension bridges, transmission lines, telephone lines, etc. Generally, the linear relationship is inadequate to present the behavior of cable structure. In finite element analysis, cables have always been modeled as truss elements. For these types of model, the nonlinear behavior of cables has been always ignored. In order to investigate the importance of the nonlinear effect on the structural system, the effect of cable stiffness has been studied. The nonlinear behavior of cable is due to its sag. Therefore, the cable pretension provides a large portion of the inherent stiffness. Since a cable-stayed bridge has numerous degrees of freedom, analytical methods at present are not convenient to solve this type of structures but numerical methods may be feasible. It is necessary to provide a different and more representative analytical model in order to present the effect of cable stiffness on cable-stayed bridges in numerical analysis. The characteristics of cable deformation have also been well addressed. A formulation of modified modulus of elasticity has been proposed using a numerical parametric study. In order to investigate realistic bridges, a cable-stayed bridge having the geometry similar to that of Quincy Bayview Bridge is considered. The numerical results indicate that the characteristics of the cable stiffness are strongly nonlinear. It also significantly affects the structural behaviors of cable-stayed bridge systems.
Two $Chang-{\alpha}$ dissipative family methods and two $KR-{\alpha}$ family methods were developed for time integration recently. Although the four family methods are in the category of the dissipative structure-dependent integration methods, their performances may be drastically different due to the detrimental property of weak instability or overshoot for the two $KR-{\alpha}$ family methods. This weak instability or overshoot will result in an adverse overshooting behavior or even numerical instability. In general, the four family methods can possess very similar numerical properties, such as unconditional stability, second-order accuracy, explicit formulation and controllable numerical damping. However, the two $KR-{\alpha}$ family methods are found to possess a weak instability property or overshoot in the high frequency responses to any nonzero initial conditions and thus this property will hinder them from practical applications. Whereas, the two $Chang-{\alpha}$ dissipative family methods have no such an adverse property. As a result, the performances of the two $Chang-{\alpha}$ dissipative family methods are much better than for the two $KR-{\alpha}$ family methods. Analytical assessments of all the four family methods are conducted in this work and numerical examples are used to confirm the analytical predictions.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.6
no.2
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pp.75-84
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2002
A numerical analysis of unsteady motion in solid rocket motors with a nozzle has been conducted. The numerical formulation including modified $\kappa$-$\varepsilon$ turbulence model treats the complete conservation equation for the gas phase and the one-dimensional equations in the radial direction for the condensed phase. A fully coupled implicit scheme based on a dual time-stepping integration algorithm has been adopted to solve the governing equations. After obtaining a steady state solution, pulse and periodic oscillations of pressure are imposed at the head-end to simulate acoustic oscillations of a travelling-wave motion in the combustion chamber. Various steady and unsteady state features in the combustion chamber of a rocket motor has been analyzed as results of numerical calculations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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