KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.36
no.6
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pp.1037-1048
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2016
In this study, nonlinear wave interaction in the presence of a uniform current is studied using numerical model, named CADMAS-SURF which is based on the Navier-Stokes equations coupled with Volume of Fluid for tracking free surface deformation. The original CADMAS-SURF developed for interaction of wave with structure is modified/extended to simulate nonlinear fluid dynamic motions within wave-current coexisting field. The capability of Numerical Wave-Current Tank (NWCT) in this study is validated by comparing with available existing laboratory experiments for both wave-following and wave-opposing current. The numerical results for interaction between wave and current are shown to be in good agreement with experimental data. Then, this study focused on the dynamic motions of the water velocity, surface elevation and vorticity within combined wave-current field in demonstrating complex nonlinear physical phenomena due to interaction between wave and current. In addition, NWCT is applied to simulate a more complex wave-current-structure field for wave propagating over a submerged breakwater associated with current. Detailed discussion including characteristics of velocity and vorticity fields and the relation between free surface and vorticity are given.
A time-domain numerical model is developed to examine the performance of a wave energy focusing structure in combined waves and a current. With the current assumed to be slow and the structure fully submerged, the wave-current interaction problem is reduced to a wave scattering problem in a uniform current. The diffraction of incident waves around a narrow berm is considered. The shape of the berm is defined by a parabola, imitating that of an optical reflector. The energy focus is achieved by reflecting the incident waves through a predetermined focal point. Through the numerical simulations, the numerical model is shown to be effective in modeling the wave-current interaction problem, and the current speed and direction are shown to affect significantly the location, amplitude and sharpness of the focus.
This paper presents a hybrid numerical approach, which combines a two-phase Navier-Stokes model (NS) and the fully nonlinear potential theory (FNPT), for modelling wave-structure interaction. The former governs the computational domain near the structure, where the viscous and turbulent effects are significant, and is solved by OpenFOAM/InterDyMFoam which utilising the finite volume method (FVM) with a Volume of Fluid (VOF) for the phase identification. The latter covers the rest of the domain, where the fluid may be considered as incompressible, inviscid and irrotational, and solved by using the Quasi Arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method (QALE-FEM). These two models are weakly coupled using a zonal (spatially hierarchical) approach. Considering the inconsistence of the solutions at the boundaries between two different sub-domains governed by two fundamentally different models, a relaxation (transitional) zone is introduced, where the velocity, pressure and surface elevations are taken as the weighted summation of the solutions by two models. In order to tackle the challenges associated and maximise the computational efficiency, further developments of the QALE-FEM have been made. These include the derivation of an arbitrary Lagrangian-Eulerian FNPT and application of a robust gradient calculation scheme for estimating the velocity. The present hybrid model is applied to the numerical simulation of a fixed horizontal cylinder subjected to a unidirectional wave with or without following current. The convergence property, the optimisation of the relaxation zone, the accuracy and the computational efficiency are discussed. Although the idea of the weakly coupling using the zonal approach is not new, the present hybrid model is the first one to couple the QALE-FEM with OpenFOAM solver and/or to be applied to numerical simulate the wave-structure interaction with presence of current.
The main purpose of the current study is to develop the new coefficients for consideration of soil-structure interaction effects to find the elevated tank natural period. Most of the recommended relations to find the natural period just assumed the fixed base condition of elevated tank systems and the soil effects on the natural period are neglected. Two different analytical systems considering soil-structure- fluid interaction effects are recommended in the current study. Achieved results of natural impulsive and convective period, concluded from mentioned models are compared with the results of a numerical model. Two different sets of new coefficients for impulsive and convective periods are developed. The values of the developed coefficients directly depend to soil stiffness values. Additional results show that the soil stiffness not only has significant effects on natural period but also it is effective on liquid sloshing wave height. Both frequency content and soil stiffness have significant effects on the values of liquid wave height.
Yoo, Min Taek;Ha, Jeong Gon;Jo, Seong-Bae;Kim, Dong Soo
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.18
no.3
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pp.125-132
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2014
In this study, a series of dynamic centrifuge tests were performed for a soil-foundation-structural interaction system in dry sand with various embedded depths and superstructure conditions. Sinusoidal wave, sweep wave and real earthquake were used as input motion with various input acceleration and frequencies. Based on the results, a natural period and an earthquake load for soil-structure interaction system were evaluated by comparing the free-field and foundation accelerations. The natural period of free field is longer than that of the soil-foundation-structure system. In addition, it is confirmed that the earthquake load for soil-foundation-structure system is smaller than that of free-field in short period region. In contrast, the earthquake load for soil-foundation-structure interaction system is larger than that of free-field in long period region. Therefore, the current seismic design method, applying seismic loading of free-field to foundation, could overly underestimate seismic load and cause unsafe design for long period structures, such as high-rise buildings.
The structural design requirements of an offshore platform subjected to wave induced forces and moments in the jacket can play a major role in the design of the offshore structures. For an economic and reliable design; good estimation of wave loadings are essential. A nonlinear response analysis of a fixed offshore platform under structural and wave loading is presented, the structure is discretized using the finite element method, wave plus current kinematics (velocity and acceleration fields) are generated using 5th order Stokes wave theory, the wave force acting on the member is calculated using Morison's equation. Hydrodynamic loading on horizontal and vertical tubular members and the dynamic response of fixed offshore structure together with the distribution of displacement, axial force and bending moment along the leg are investigated for regular and extreme conditions, where the structure should keep production capability in conditions of the 1-yr return period wave and must be able to survive the 100-yr return period storm conditions. The result of the study shows that the nonlinear response investigation is quite crucial for safe design and operation of offshore platform.
Aiming at the current research on the dynamic response analysis of the vehicle-bridge system under earthquake, which fails to comprehensively consider the impact of seismic wave incidence angles, terrain effects and soil-structure dynamic interaction on the bridge structure, this paper proposes a multi-point excitation input method that can consider the oblique incidence seismic P Waves based on the viscous-spring artificial boundary theory, and verifies the accuracy and feasibility of the input method. An overall numerical model of vehicle-bridge-soil foundation system in valley terrain during oblique incidence of seismic P-wave is established, and the effects of seismic wave incidence characteristics, terrain effects, soil-structure dynamic interactions, and vehicle speeds on the dynamic response of the bridge are analyzed. The research results indicate that with an increase in P wave incident angle, the vertical dynamic response of the bridge structure decreased while the horizontal dynamic response increased significantly. Traditional design methods which neglect multi-point excitation would lead to an unsafe structure. The dynamic response of the bridge structure significantly increases at the ridge while weakening at the valley. The dynamic response of bridge structures under earthquake action does not always increase with increasing train speed, but reaches a maximum value at a certain speed. Ignoring soil-structure dynamic interaction would reduce the vertical dynamic response of the bridge piers. The research results can provide a theoretical basis for the seismic design of vehicle-bridge systems in complex mountainous terrain under earthquake excitation.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.44
no.2
s.152
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pp.148-153
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2007
Two typical impact loadings, shock wave and gas bubble pulse, due to UNDEX(UNDerwater EXplosion), should be considered together for the closest response analysis of structure subjected to UNDEX to a reality. Since these two impact loadings have different response time bands, however, their response characteristics of structure are different from each other. It is impossible to consider these effectively under the current computational environment and the mathematical model has not yet been developed. Whereas Hicks model approximates the fluid-structure interaction due to gas bubble pulse as virtual mass effect, treating the flow by the response of gas bubble after shock wave as incompressible ideal fluid contrary to the compressible flow due to shock wave, Geers-Hunter model could make the closest response analysis of structure under UNDEX to a real one as a mathematical model considering the fluid-structure interaction due to shock wave and gas bubble pulse together using acoustic wave theory and DAA(Doubly Asymptotic Approximation). In this study, the application and effectiveness of integrated dynamic response analysis of submerged structure was examined with the analysis of the shock wave and gas bubble pulse together.
A method aimed at improving the beam-wave interaction efficiency by changing the coupling slot configuration has been proposed in the study of extended interaction oscillators (EIOs). The dispersion characteristics, coupling coefficient and interaction impedance of the high-frequency structure based on different types of coupling slots have been investigated. Four types of coupled cavity structures with different layouts of the coupling slots have been compared to improve the beam-wave interaction efficiency, so as to analyze the beam-wave interaction and practical applications. In order to determine the improvement of the coupling slot to a coupled cavity circuit in an EIO, we designed four nine-gap EIOs based on the coupled cavity structure with different coupling slot configurations. With different operating frequencies and voltages takes into consideration, beam voltages from 27 to 33 kV have been simulated to achieve the best beam-wave interaction efficiency so that the EIOs are able to work in the $2{\pi}$ mode. The influence of the Rb and the ds on the output power is also taken into consideration. The Rb is the radius of the electron beam, and the ds is the width of the coupling slot. The simulation results indicate that a single-slot-type EIO has the best beam-wave interaction efficiency. Its maximum output power is 2.8 kW and the efficiency is 18% when the operating voltage is 31 kV and electric current is 0.5 A. The output powers of these four EIOs that were designed for comparison are not less than 1.7 kW. The improved coupling-slot configurations enables the extended interaction oscillator to meet the different engineering requirements better.
Subject of the paper is a particular configuration of overhead line, in which noise barrier structure is used as supports of the catenary instead of standard poles. This configuration is foreseen in case the noise barrier position is in conflict with the poles location. If the catenary is supported by the noise barrier, the motion that the latter undergo due to wave pressure associated to train transit is transmitted to the overhead line, so that potentially it influences the interaction between the catenary itself and the pantograph of the passing train. The paper focuses on the influence of such peculiar configuration on the quality of the current collection of high speed pantograph, for single and double current collection. The study has been carried out first with an experimental investigation on the pressure distribution on noise barrier, both in wind tunnel and with in-field tests. Subsequently a numerical analysis of the dynamics of the barrier subjected to the wave pressure due to train transit has been carried out, and the output of such analysis has been used as input data for the simulation of the pantograph-dynamic interaction at different speeds and with front or rear pantograph in operation. Consideration of structural modifications was then highlighted, in order to reduce the influence on the contact loss percentage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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