In this presentation, I talk about various fluid simulation methods that have been developed for computer graphics special effects since 1996. They are all based on CFD but sacrifice physical reality for visual plausability and time. But as the speed of computer increases rapidly and the capability of GPU (graphics processing unit) improves, methods for more physical realism have been tried. In this talk, I will focus on four aspects of fluid simulation methods for computer graphics: (1) particle level-set methods, (2) particle-based simulation, (3) methods for exact satisfaction of incompressibility constraint, and (4) GPU-based simulation. (1) Particle level-set methods evolve the surface of fluid by means of the zero-level set and a band of massless marker particles on both sides of it. The evolution of the zero-level set captures the surface in an approximate manner and the evolution of marker particles captures the fine details of the surface, and the zero-level set is modified based on the particle positions in each step of evolution. (2) Recently the particle-based Lagrangian approach to fluid simulation gains some popularity, because it automatically respects mass conservation and the difficulty of tracking the surface geometry has been somewhat addressed. (3) Until recently fluid simulation algorithm was dominated by approximate fractional step methods. They split the Navier-Stoke equation into two, so that the first one solves the equation without considering the incompressibility constraint and the second finds the pressure which satisfies the constraint. In this approach, the first step introduces error inevitably, producing numerical diffusion in solution. But recently exact fractional step methods without error have been developed by fluid mechanics scholars), and another method was introduced which satisfies the incompressibility constraint by formulating fluid in terms of vorticity field rather than velocity field (by computer graphics scholars). (4) Finally, I want to mention GPU implementation of fluid simulation, which takes advantage of the fact that discrete fluid equations can be solved in parallel.
Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics
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v.3
no.2
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pp.10-17
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1966
A method by which solutions of the differential equations of any other distributed circuits can be obtained is described when the solution of the differential equation of an R-C distributed amplifier is known. A graphical method of transforming any R-C ditributed circuit into an equivalent circuit which has a constant R(x)$cdot$C(x) was also obtained. The theoretical verification of this method is possible. For simplicity, any R-C distributed circuit can be transformed into an equivalent circuit which is a distributed circuit of either constant R(x) or C(x). Using this equivalent circuit and considering a lumped circuit, an approximate analysis and synthesis can be made simply.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.16
no.4
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pp.233-240
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2004
For the development of empirical equation of run-up height, a new surf parameter called' wave action slope' $S_x$ is introduced. Approximate equation has been produced for each band of water depth for the computation of wave run-up height using the laboratory graph of Saville(1958). On the other hand using the laboratory data of Ahrens(1988) and Mase(1989), empirical equations of run-up height have been developed for the general application with considering roughness effect covering a wide range of water depth and wall slope. When Mase tried to relate the run-up height to the Iribarren number, nonlinear relation has been obtained and hence the empirical equation has a power law. But when the wave action slope is adopted as a major factor for the estimation of run-up height the empirical equation shows a linear relationship with very good correlation for the wide range of water depth and wall slope.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.49
no.6
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pp.449-456
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2021
In this paper, we present a strategy to extend solution capability of an existing low Mach number preconditioned compressible solver to incompressible flows with a little modification. To this end, the energy equation that is of the same form of the total energy equation of compressible flows is used. The energy equation is obtained by a linear combination of the thermal energy equation, the continuity equation and the mechanical energy equation. Subsequently, a modified artificial compressibility method in conjunction with a time marching technique is applied to these incompressible governing equations for steady flow solutions. It is found that the Roe average of the common governing equations is equally valid for both the compressible and incompressible flow conditions. The extension of an existing compressible solver to incompressible flows does not affect the original compressible flow analysis. Validity for incompressible flow analysis of the extended solver is examined for various inviscid, laminar and turbulent flows.
In this work, thermoelastic dynamic behavior of functionally graded carbon nanotube reinforced composite (FG-CNTRC) cylinders subjected to mechanical pressure loads, uniform temperature environment or thermal gradient loads is investigated by a mesh-free method. The material properties and thermal stress wave propagation of the nanocomposite cylinders are derived after solving of the transient thermal equation and obtaining of the time history of temperature field of the cylinders. The nanocomposite cylinders are made of a polymer matrix and wavy single-walled carbon nanotubes (SWCNTs). The volume fraction of carbon nanotubes (CNTs) are assumed variable along the radial direction of the axisymmetric cylinder. Also, material properties of the polymer and CNT are assumed temperature-dependent and mechanical properties of the nanocomposite are estimated by a micro mechanical model in volume fraction form. In the mesh-free analysis, moving least squares shape functions are used to approximate temperature and displacement fields in the weak form of motion equation and transient thermal equation, respectively. Also, transformation method is used to impose their essential boundary conditions. Effects of waviness, volume fraction and distribution pattern of CNT, temperature of environment and direction of thermal gradient loads are investigated on the thermoelastic dynamic behavior of FG-CNTRC cylinders.
An analytical solution for the nonlinear in-plane free oscillations of the suspended cable which contains the quadratic and cubic nonlinearities is investigated via the homotopy analysis method (HAM). Different from the existing analytical technique, the HAM is indeed independent of the small parameter assumption in the nonlinear vibration equation. The nonlinear equation is established by using the extended Hamilton's principle, which takes into account the effects of the geometric nonlinearity and quasi-static stretching. A non-zero equilibrium position term is introduced due to the quadratic nonlinearity in order to guarantee the rule of the solution expression. Therefore, the mth-order analytic solutions of the corresponding equation are explicitly obtained via the HAM. Numerical results show that the approximate solutions obtained by using the HAM are in good agreement with the numerical integrations (i.e., Runge-Kutta method). Moreover, the HAM provides a simple way to adjust and control the convergent regions of the series solutions by means of an auxiliary parameter. Finally, the effects of initial conditions on the linear and nonlinear frequency ratio are investigated.
The effect of dead loads on dynamic responses of a uniform elastic beam subjected to moving loads is examined by means of a governing equation which takes into account initial bending stresses due to dead loads. First, the governing equation of beams which includes the effect of dead loads is briefly presented from the author's paper (1990, 1991, 2010). The effect of dead loads is considered by a strain energy produced by conservative initial stresses caused by the dead loads. Second, the effect of dead loads on dynamical responses produced by moving loads in simply supported beams is confirmed by the results of numerical computations using the Galerkin method and Wilson-${\theta}$ method. It is shown that the dynamical responses by moving loads are decreased remarkably on a heavyweight beam when the effect of dead loads is included. Third, an approximate solution of dynamic deflections including the effect of dead loads for a uniform beam subjected to moving loads is presented in a closed-form for the case without the additional mass due to moving loads. The proposed solution shows a good agreement with results of numerical computations with the Galerkin method and Wilson-${\theta}$ method. Finally it is clarified that the effect of dead loads on elastic uniform beams subjected to moving loads acts on the restraint of the transverse vibration for the both cases without and with the additional mass due to moving loads.
In this paper we consider an optimal control system described by n-dimensional heat equation with a thermal source. Thus problem is to find an optimal control which puts the system in a finite time T, into a stationary regime and to minimize a general objective function. Here we assume there is no constraints on control. This problem is reduced to a moment problem. We modify the moment problem into one consisting of the minimization of a positive linear functional over a set of Radon measures and we show that there is an optimal measure corresponding to the optimal control. The above optimal measure approximated by a finite combination of atomic measures. This construction gives rise to a finite dimensional linear programming problem, where its solution can be used to determine the optimal combination of atomic measures. Then by using the solution of the above linear programming problem we find a piecewise-constant optimal control function which is an approximate control for the original optimal control problem. Finally we obtain piecewise-constant optimal control for two examples of heat equations with a thermal source in one-dimensional.
Let consider the following problem: find an element u(t) in a Banach space U from the equation $$ x'(t) = Ax(t) + f(t,x(t)) + \Phi_0 u(t), 0 \leq t \leq T $$ with initial and terminal conditions $$ x(0) = 0, x(T) = \phi $$ in a Banach space X where $\phi \in D(A)$. This problem is a kind of control engineering inverse problem and contains nonlinear term, so that it is difficult and interesting. Thee proof main result in this paper is based on the Fredholm property of [1] in section 3. Similar considerations of linear system have been dealt with in many references. Among these literatures, Suzuki[5] introduced this problem for heat equation with unknown spatially-varing conductivity. Nakagiri and Yamamoto[2] considered the identifiability problem, which A is a unknown operator to be identified, where the system is described by a linear retarded functional differential equation. We can also apply to determining the magnitude of the control set for approximate controllability if X is a reflexive space, i.e., we can consider whether a dense subset of X is covered by reachable set in section 4.
The effect of dead loads on dynamic responses of uniform elastic beams is examined by means of a governing equation which takes into account initial bending stress due to dead loads. First, the governing equation of beams which includes the effect of dead loads is briefly presented from the author's paper (Takabatake 1990). In the formulation the effect of dead loads is considered by strain energy produced by conservative initial stresses produced by the dead loads. Second, the effect of dead loads on dynamical responses produced by live loads in simply supported beams and clamped beams is confirmed by the results of numerical computations with the Galerkin method and Wilson-${\theta}$ method. It is shown that the dynamical responses, like dynamic deflections and bending moments produced by dynamic live loads, are decreased in a heavyweight beam when the effect of dead loads is included. Third, an approximate solution for dynamic deflections including the effect of dead loads is presented in closed-form. The proposed solution shows good in agreement with results of numerical computations with the Galerkin method and Wilson-${\theta}$ method. Finally, a method reflecting the effect of dead loads for dynamic responses of beams on the magnitude of live loads is presented by an example.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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