In this study, a new method for treating the wall boundary in smoothed particle hydrodynamics (SPH) is proposed to simulate free surface flows effectively. Unlike conventional methods of wall boundary treatment through boundary particles, in the proposed method, the wall boundary condition is directly imposed by adding boundary truncation terms to the mass and momentum conservation equations. Thus, boundary particles are not used in boundary modeling. Doing so, the wall boundary condition is accurately imposed, boundary modeling is simplified, and computation is made efficient without losing stability in SPH. Performance of the proposed method is demonstrated through several numerical examples: dam break, dam break with a wedge, sloshing, inclined bed, cross-lever rotation, pulsating tank and sloshing with a flexible baffle. These results are compared with available experimental results, analytical solutions, and results obtained using the boundary particle method.
The local wall shear stress in transitional boundary layer was estimated from the near-wall mean velocity data using the principle of Computational Preston Tube Method(CPM). The previous DNS and experimental databases of transitional boundary layers were used to demonstrate the accuracy of the method and to provide the applicable range of wall unit y(sup)+. The skin friction coefficients predicted by the CPM agreed well with those from previous studies. To reexamine the applicability of CPM, near-wall hot-wire measurement were conducted in developing transitional boundary layers on a flat plate with different freestream turbulence intensities. The intermittency profiles across the transitional boundary layers were reasonably obtained from the conditional sampling technique. An empirical correlation between the representative intermittency near the wall and free parameter K$_1$of the extended wall function of CPM has been newly proposed using the present and other experimental data. The CPM has been verified as a useful tool to measure the wall shear stress in transitional boundary layer with reasonable accuracy.
Kim, Moon-Sang;Jeon, Byung-Woo;Kim, Yong-Nyun;Kwon, Hyeok-Bin;Lee, Dong-Ho
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.15
no.5
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pp.671-680
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2001
Boundary condition is one of the major factors to influence the numerical stability and solution accuracy in numerical analysis. One of the most important physical boundary conditions in the flowfield analysis is the wall boundary condition imposed on the body surface. To solve a two-dimensional Euler equation, totally four numerical wall boundary conditions should be prescribed. Two of them are supplied by the flow tangency condition. The other two conditions, therefore, should be prepared additionally in a suitable way. In this paper, four different sets of wall boundary conditions are proposed and then applied to solve high-speed flowfields around a quarter circle geometry. A two-dimensional compressible Euler solver is prepared based on the finite volume method. This solver hires three different upwind schemes; Steger-Warmings flux vector splitting, Roes flux difference splitting, and Lious advection upstream splitting method. It is found that the way to specify the additional numerical wall boundary conditions strongly affects the overall stability and accuracy of the upwind schemes in high-speed flow calculation. The optimal wall boundary conditions should be also chosen very carefully depending on the numerical schemes used to solve the problem.
A numerical model is constructed to simulate the interactions of oblique shock wave / turbulent boundary layer on a strongly heated wall. The heated wall temperature is two times higher than the adiabatic wall temperature and the shock wave is strong enough to induce boundary layer separation. The numerical diffusion in the finite volume method is reduced by the use of a higher order convection scheme(UMIST scheme) which is a TVD version of QUICK scheme. The turbulence model is Chen-Kim two time scale model. The comparison of the wall pressure distribution with the experimental data ensures the validity of this numerical model. The effect of strong wall heating enlarges the separation region upstream and downstream. In order to eliminate the separation, wall suction is applied at the shock foot position. The bleeding slot width is about same as the upstream boundary layer thickness and suction mass flow is 10% of the flow rate in the upstream boundary layer. The final configuration of the shock reflection pattern and the wall pressure distribution approach to the non-viscous value when wall suction is applied.
This paper proposed a novel form of reinforced concrete (RC) shear wall confined with boundary columns. The structural effect of applying steel fiber reinforced concrete (SFRC) in the wall-column systems was studied. Three full-scale wall samples were constructed including two RC wall-RC column samples with different stirrup ratios and one RC wall-SFRC column sample. Low frequency cyclic testing was carried out to investigate the failure modes, hysteretic behavior, load-bearing capacity, ductility, stiffness degradation and energy dissipation. ABAQUS models were set up to simulate the structural behavior of tested samples, and good agreement was achieved between numerical simulation and experimental results. A further supplementary parametric study was conducted based on ABAQUS models. Both experimental and numerical results showed that increasing stirrup ratio in boundary columns did not affect much on load bearing capacity or stiffness degradation of the system. However, applying SFRC in boundary columns showed significant enhancement on load bearing capacity. Numerical simulation also shows that the structural performances of RC wall-SFRC column system were comparable to a wall-column system fully with SFRC.
Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.34
no.11
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pp.27-35
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2018
The purpose of this study is to examine the effects of boundary RC frame(composed of one tie-beam and two tie-columns) on seismic performance of unreinforced masonry walls to suggest alternative way for seismic design of unreinforced masonry wall structures. Two test specimens are prepared, one is a typical unreinforced masonry wall and another is alternative unreinforced masonry wall with additional boundary RC frame. The structural experiments were carried out to evaluate the difference of seismic resistance performance between two test specimens with or without the boundary RC frames. From the test results, it was found that the failure mode of unreinforced masonry wall fundamentally changed from 'brittle' to 'ductile' by the installing of boundary RC frames. And, the maximum load and energy dissipation capacity of the test specimen with boundary RC frame was increased about 1.6~1.7 and 2~3 times respectively compared with a typical unreinforced masonry wall specimen.
In the present study, the flow behaviors of square jets surface discharged and submerged discharged into shallow water were each simulated using computational fluid dynamics, and the results were compared. As for the verification of the models, the results of the hydraulic experiment conducted by Sankar, et al. (2009) were used. According to the results of the verification, the present application of computational fluid dynamics to the flow analysis of square jets discharged into shallow water was valid. As for the wall jet, which is one form of submerged discharges, at the bottom wall boundary, the peak velocity of the jet rapidly moved from the center of the jet to the bottom wall boundary due to the restriction of jet entrainment and the no-slip condition of the bottom wall boundary, and, as for the surface discharge, because jet entrainment is limited on the free water surface, the peak velocity of the jet moved from the center of the jet to the free water surface. This is because jet entrainment is restricted at the bottom wall boundary and the surface so that the momentum of the central core of the jet is preserved for considerable time at the bottom wall boundary and the surface. In addition, due to the effect of the bottom wall boundary and the free water surface, the jet discharged into shallow water had a smaller velocity diminution rate near the discharge outlet than did the free jet; at a location where it was so distant from the discharge outlet that the vertical profile of the velocity was nearly equal (b/x =20~30), moreover, it had a far smaller velocity diminution rate than did the free jet due to the effect of the finite depth.
Wall functions have been widely used in computational fluid dynamics (CFD) simulations and can save significant computational costs compared to other near-wall flow treatment strategies. However, most of the existing wall functions were based on the asymptotic characteristics of near-wall flow quantities, which are inapplicable in complex and non-equilibrium flows. A modified wall function is thus derived in this study based on flow over a plate at zero-pressure gradient, instead of on the basis of asymptotic formulations. Turbulent kinetic energy generation ($G_P$), dissipation rate (${\varepsilon}$) and shear stress (${\tau}_{\omega}$) are composed together as the near-wall expressions. Performances of the modified wall function combined with the nonlinear realizable k-${\varepsilon}$ turbulence model are investigated in homogeneous equilibrium atmosphere boundary layer (ABL) and flow around a 6 m cube. The computational results and associated comparisons to available full-scale measurements show a clear improvement over the standard wall function, especially in reproducing the boundary layer flow. It is demonstrated through the two case studies that the modified wall function is indeed adaptive and can yield accurate prediction results, in spite of its simplicity.
When an axisymmetric body moves through air the boundary layer near the stagnation region remains laminar and subsequently it goes through transition to turbulent. The experimental investigation described in this paper concerns the characteristics of wall pressure fluctuations at the initial stage of boundary layer flow including transition. Flush-mounted microphones are used to measure the wall pressure fluctuations at the transition and turbulent boundary layer region of a blunt axisymmetric body in the low noise wind tunnel. It if found from this study that the wall pressure fluctuations in the transition region is higher than that in the turbulent region.
Direct Numerical Simulation(DNS) of turbulent mass transfer in fully developed turbulent pipe flow has been performed to study the effect of wall boundary conditions on the concentration fields at $Re_{\tau}$=180 based on friction velocity and pipe radius. Fully developed turbulent pipe flows for Sc=0.71 are studied with two different wall boundary conditions, namely, constant mass flux and constant wall concentration. The mean concentration profiles and turbulent mass fluxes obtained from the present DNS are in good agreement with the previous numerical results currently available. To investigate the effects of wall boundary condition on the turbulent mass transfer, the mean concentration profile, root-mean-square of concentration fluctuation, turbulent mass fluxes and higher-order statistics(Skewness and Flatness factor) are compared for the two cases. Furthermore, the budgets of turbulent mass fluxes and concentration variance were computed and analyzed to elucidate the effects of wall boundary conditions on the turbulent mass transfer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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