Proceedings of the Korean Information Science Society Conference
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2006.10a
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pp.143-147
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2006
자연 현상에서 나타나는 연기나 난류의 움직임을 사실적으로 시뮬레이션을 할 때 Navier-Stokes 방정식을 이용한다. 이 방정식을 이용한 구현은 방대한 연산량과 계산의 복잡성으로 인하여 실시간 시뮬레이션이 어렵다. 이 때문에 실시간 처리를 위하여 복잡한 수식을 근사화한다. 유체 시뮬레이션의 이류(advect) 과정에서 근사화를 위해 Semi-Lagrangian 방법을 이용할 때, 연기 시뮬레이션은 시간이 지남에 따라 밀도가 현저히 줄어들고 소규모의 소용돌이(small-scale vorticity) 현상이 급격히 감소하는 등의 수치적 소실이 발생한다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하기 위해 이류항(advection term)을 계산할 때 새로운 수치적 방법을 제안한다. 본 논문에서는 이류항의 값을 구할 때, 현재 격자 주변의 값 중에서 다음 단계에 현재 격자의 위치로 오는 속도를 가진 격자를 찾아, 그 격자의 속도를 이류 속도 벡터로 활용한다. 이는 밀도와 소용돌이 현상의 수치적 소실을 줄여서 사실성을 높이고 실시간 처리도 가능하게 한다. 또한 본 논문에서는 GPU 구현을 통해 벡터 연산 등의 효율성을 높이며 시뮬레이션의 속도를 향상시킨다.
Park, Su-Wan;Chang, Mun-Hee;Ki, Eun-Ju;Ryu, Kwan-Woo
The KIPS Transactions:PartA
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v.14A
no.4
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pp.191-196
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2007
In the field of computer graphics, Navier-Stokes equations would be used for realistic simulations of smokes and currents. However, implementations derived from these equations are hard to achieve for real-time simulations, mainly due to its massive and complex calculations. Thus, there have been various attempts to approximate these equations for real-time simulation of smokes and others. When the advection terms of the equations are approximated by the Semi-Lagrange methods, the fluid density can be rapidly reduced and small-scale vorticity phenomena are easy to be missed, mainly due to the numerical losses over time. In this paper, we propose an improved numerical method to approximately calculate the advection terms, and thus eliminate these problems. To calculate the advection terms, our method starts to set critical regions around the target grid points. Then, among the grid points in a specific critical region, we search for a grid point which will be advected to the target grid point, and use the velocity of this grid point as its advection vector. This method would reduce the numerical losses in the calculation of densities and vorticity phenomena, and finally can implement more realistic smoke simulations. We also improve the overall efficiency of vector calculations and related operations through GPU-based implementation techniques, and thus finally achieve the real-time simulation.
In this paper three turbulence models including two-equation model by Blumberg and Mellor (1987), one-equation model with mixing length formula of Blackadar's (1962), and zero-equation model of Prandtl's (1925) were compared in homogeneous, unstratified channel flows. Steady flows which a steep-sided trapezoidal trench with uniform discharge, tidal flow and steady wind-driven flow in finite channels are considered in detail. Steady flows in a trench and tidal flows in a finite channel were reproduced fairly accurately and there was virtually no difference among results of three turbulence models. However, In case of steady wind-driven flow only two-equation model reproduced the important features of experimental data. the other two models underestimated the surface velocity. In tidal and wind-driven flows with negligibly small adjective and diffusive effects, the two-equation model gives rise to parabolic profile of eddy viscosity with maximum at the mid0depth, and the one and zero equation model based on Blackadar formula linear profile with maximum at the surface.
To realistically simulate fluid, the Navier-Stokes equations are generally used. Solving these Navier-Stokes equations on the Eulerian framework, the non-linear advection terms invoke heavy computation and thus Semi-Lagrangian methods are used as an approximated way of solving them. In the Semi-Lagrangian methods, the locations of advection sources are traced and the physical values at the traced locations are interpolated. In the case of Stam's method, there are relatively many chances of numerical losses, and thus there have been efforts to correct these numerical errors. In most cases, they have focused on the numerical interpolation processes, even simultaneously using particle-based methods. In this paper, we propose a new approach to reduce the numerical losses, through improving the tracing method during the advection calculations, without any modifications on the Eulerian framework itself. In our method, we trace the grids with the velocities which will let themselves to be moved to the current target position, differently from the previous approaches, where velocities of the current target positions are used. From the intuitive point of view, we adopted the simple physical observation: the physical quantities at a specific position will be moved to the new location due to the current velocity. Our method shows reasonable reduction on the numerical losses during the smoke simulations, finally to achieve real-time processing even with enhanced realities.
In this study, the numerical model developed by Hong et al.(2008) was improved to be applied to rapidly varying flows such as the inundation of dry land or flow transitions due to large gradients of the bathymetry. A numerical approximation was applied that was consistent with the conservation of momentum in flow expansions and with the Bernoulli equation in flow contractions. The approximation was second order, but the accuracy reduced to first order near extreme values by the use of a minmod limiter. The modified model was verified by acomparison with the theoretical critical depth of weir, and for sufficiently smooth conditions and a fine grid size, both approximations converged to the same solution. In terms of the grid size, it was more effective at obtaining solutions than the previous model and reproduced the inundation of dry land.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.8
no.2
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pp.137-145
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1996
Effects of nonlinear terms on the generation of M$_2$ tide residual elevation and M$_4$ tide in the Yellow Sea and the East China Sea are investigated using a depth-integrated two-dimensional nonlinear M$_2$tidal model. The model domain (117$^{\circ}$E-130$^{\circ}$E, 24$^{\circ}$N-41$^{\circ}$N) covers the whole region of the Yellow Sea and the East China Sea with grid resolution of 1/6$^{\circ}$ in longitude and 1/8$^{\circ}$in latitude. A radiational boundary condition is used along the open boundaries. Calculations show that advection terms yield negative residual elevation, while shallow-water terms in continuity equation yield positive residual elevation. The contribution of both advection terms and shallow-water terms to tile generation of the M$_4$ constituent is more than 90 percents, but that of quadratic bottom friction terms to the M$_4$ constituent is comparatively small.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.22
no.3
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pp.133-142
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2010
We calculated using siltation model to know the influnce of the tidal current, the tidal level, the sediment transport of seabed around sea area due to the construction of the Song do New city. We calculated the tidal current and based on this we estimated scour, sedimentation using the advection-diffusion equation and accessed the sediment transport of seabed before and after the construction of the New city. Sedimentation was increased in the east coast of Young jong Do, and Scour was increased according to the direction from the front route of north harbor to Ho do. Tidal level was increased overall.
In this study, the adjustment processes of the disturbed channels by sand or gravel mining were investigated by a two dimensional numerical model in the generalized coordinate system. As a numerical scheme, the CIP (cubic interpolated pseudoparticle method) method was used to calculate the advection term in the flow field and central difference method was used to the diffusion term in it. The pit of the channel was partially filled with sediment at the toe of the pit upstream. As time increased, the headcut erosion upstream in the pit was decreased due to the sediment inflow. The almost inflow sediment upstream was trapped into the pit and the sediment deposit wedge migrated downstream in the pit with the steep submerged angle of repose. The numerical model was reproduced well the evolution processes of the channel. The mining pit migrated with speed as the channel was steep, and the numerical results were in overall agreement with the experimental results.
Kwak et al. (2008) found that the mean neutral wind pattern in the high-latitude lower thermosphere is dominated by rotational flow than by divergent flow. As an extension of the our previous work (Kwak et al. 2008), we performed a term analysis of vorticity equation that describes the driving forces for the rotational component of the horizontal wind in order to determine key processes that causes strong rotational flow in the high-latitude lower thermospheric winds. For this study the National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere Electrodynamics General Circulation Model (NCAR-TIEGCM) is used. The primary forces that determine variations of the vorticity are the ion drag term and the horizontal advection term. Significant contributions, however, can be made by the stretching term. The effects of IMF on the vorticity forces are seen down to around 105-110km.
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.2
no.2
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pp.20-30
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1999
To improve water quality particularly for sea bathers along the Fylde coastal zone near Blackpool, North West England, waste water from a sewage outfall is studied using a mathematical model. The explicit second order accurate central scheme and the third order accurate QUICKEST scheme are used to represent the diffusion terms and the advection terms of the advective-diffusion equation, respectively. Hydrodynamic model is run for a coarse and fine grid, of 1km and 200m, respectively, obtaining good agreement with measured data. Water quality model is then used to predict faecal coliform levels in the region for four different scenarios, including discharges from: - (i) Fleetwood outfall, (ii)River Ribble for summer condition, (iii)River Ribble for winter condition, and (iv)combined sewer overflows for the Blackpool and Fleetwood communities. Main findings from the simulations are:- (i) Fleetwood outfall has a negligible impact on the beaches with respect to pathogen levels; (ii) Discharge from River Ribble for both summer and winter conditions is predicted in the range of coliform levels 10 -500 counts/100ml along the beach at Lytham St. Annes; and (iii) The CSO effluent discharges are predicted not to advect out into offshore by stronger tidal currents.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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