Wave propagation in a three-dimensional (3D) fully nonlinear numerical wave tank (NWT) is studied based on velocity potential theory. The governing Laplace equation with fully nonlinear boundary conditions on the moving free surface is solved using the indirect desingularized boundary integral equation method (DBIEM). The fourth-order predictor-corrector Adams-Bashforth-Moulton scheme (ABM4) and mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method are used for the time-stepping integration of the free surface boundary conditions. A smoothing algorithm, B-spline, is applied to eliminate the possible saw-tooth instabilities. The artificial wave speed employed in MTF (multi-transmitting formula) approach is investigated for fully nonlinear wave problem. The numerical results from incorporating the damping zone (DZ), MTF and MTF coupled DZ (MTF+DZ) methods as radiation condition are compared with analytical solution. An effective MTF+DZ method is finally adopted to simulate the 3D linear wave, second-order wave and irregular wave propagation. It is shown that the MTF+DZ method can be used for simulating fully nonlinear wave propagation very efficiently.
This study simulated ice load and the motion response of a moored semi-submersible rig in pack-ice conditions using a finite element method. Ice flows of random size and shape were modeled, and interactions for ice-sea, ice-structure, ice-ice were simulated using a simplified method. Parameters for the simplified method such as drag force coefficient and the pressure-penetration relation were obtained based on the result of detailed analysis using the coupled Eulerian-Lagrangian method. The mooring lines were modeled by spring elements based on their stiffness. As a result of the simulation over 1,400 seconds, the force and motion response of the rig were obtained and validated using discrete elements and compared with the results found by the Krylov State Research Centre.
In this study, an anchor dragging simulation was performed using the CEL method to design a rock-berm, which is a protection method for submarine cables. In order to simulate an anchor drag, preliminary simulations were first performed to determine the initial anchor penetration depth, anchor drag velocity, drag angle, and distance between the anchor and rock-berm. Based on the preceding simulation results, a safe rock-berm design for protecting the submarine cables was simulated to calculate the anchor penetration depth by the anchor dragging. As a result, the penetration depth of the anchor was found to be shallower in a hard seabed, and the penetration depth was deeper in a soft seabed, the height of the rock-berm was determined according to the physical properties of the seabed.
A finite-element method was employed to analyze axisymmetric unsteady motion of a deformable bubble near the wall. In the present study a deformable bubble in a Newtonian medium near the wall was considered. In solving the governing equations a structured mesh generator was used to describe the collapse of highly deformed bubbles with the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) method being employed in order to capture the transient bubble boundary effectively. In order to check the accuracy of the present FE analysis we compared the results of our FE solutions with the result of the collapse of spherical bubbles in a large body of fluid in which solutions can be obtained using a 1D FE analysis. It has been found that 1D and 2D bubble deformations are in good agreement for spherically symmetric problems confirming the validity of the numerical code. Non-spherically symmetric problems were also solved for the collapse of bubble located near a plane solid wall. We have shown that a microjet develops at the bubble boundary away from the wall as already observed experimentally. We have discussed the effect of Reynolds number and distance of the bubble center from the wall on the transient collapse pattern of bubble.
Iban, A.L.;Brownjohn, J.M.W.;Belver, A.V.;Lopez-Reyes, P.M.;Koo, K.
Wind and Structures
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v.17
no.3
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pp.263-274
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2013
A numerical technique for fluid-structure interaction, which is based on the finite element method (FEM) and computational fluid dynamics (CFD), was developed for application to an industrial chimney equipped with a pendulum tuned mass damper (TMD). In order to solve the structural problem, a one-dimensional beam model (Navier-Bernoulli) was considered and, for the dynamical problem, the standard second-order Newmark method was used. Navier-Stokes equations for incompressible flow are solved in several horizontal planes to determine the pressure in the boundary of the corresponding cross-section of the chimney. Forces per unit length were obtained by integrating the pressure and are introduced in the structure using standard FEM interpolation techniques. For the fluid problem, a fractional step scheme based on a second order pressure splitting has been used. In each fluid plane, the displacements have been taken into account considering an Arbitrary Lagrangian Eulerian approach. The stabilization of convection and diffusion terms is achieved by means of quasi-static orthogonal subscales. For each period of time, the fluid problem was solved and the geometry of the mesh of each fluid plane is updated according to the structure displacements. Using this technique, along-wind and across-wind effects have been properly explained. The method was applied to an industrial chimney in three scenarios (with or without TMD and for different damping values) and for two wind speeds, showing different responses.
Recently, various multiphase flows have been developed, and among them some models have been commercialized. However, most of them have been developed based on a pressure-based approach; therefore, various numerical difficulties were involved inherently. Accordingly, in order to overcome these numerical difficulties, a multiphase flow model, MultiPhaSe flow (MPS), following a fractional-flow based approach was developed. In this study, by combining a contaminant transport module describing an enhanced dissolution effect of a surfactant with MPS, a MultiPhaSe flow and TranSport (MPSTS) model was developed. The developed model was verified using the analytical solution of Clement. The MPSTS model can simulate the process of surfactant enhanced aquifer remediation including interphase mass transfer and contaminant transport in multiphase flow by using the coupled particle tracking method and Lagrangian-Eulerian method. In this study, a surfactant was used in a non aqueous phase liquid (NAPL) contaminated area, and the effect of hydro-geological heterogeneity in the layered media on remediation efficiency was studied using the developed model. According to the numerical simulation, when hydraulic conductivity in a lower layer is 10 times, 20 times, and 50 times larger than that in an upper layer, the concentration of dissolved diesel in the lower layer is much higher than that in the upper layer because the surfactant moves faster along the lower layer owing to preferential flow; thus, the surfactant enhances dissolution of residual non aqueous phase liquid in the lower layer.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.26
no.1
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pp.1-17
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2024
Analyzing the tunnel excavation behavior and its effect on the surrounding ground involves large deformation behavior. Therefore, in order to properly simulate the tunnel excavation process and rigorously investigate the actual effect of excavation on surrounding ground and tunnel structure large deformation analysis method is required. In this study, two major numerical approaches capable of considering large deformations behavior were applied to investigate the effect of tunnel boring machine excavation on the surrounding ground: coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) and the automatic remeshing (AR) method. Relative performance of both approaches was evaluated through the ground response due to TBM excavation. The ground response will be quantified by estimating the range of the excavation damaged zone (EDZ). By comparing the results, the range of the EDZ will be suggested on the vertical and horizontal direction along the TBM excavation surface. Based on the computed results, it was found that the size of EDZ around the excavation surface and the tendencies was in good agreement among the two approaches. Numerical results clearly show that the size of the EDZ around the tunnel tends to be larger for rock with higher RMR rating. The size of the EDZ is found to be direct proportional to the tunnel diameter, whereas the depth of the tunnel is inversely proportional due to higher confinement stress around the excavation surface.
In this paper, the airflow around an ideal thin plate (hereafter referred to as ITP) with various ratios of central slot is simulated by using the finite-difference-method (FDM)-based Arbitrary-Lagrangian-Eulerian descriptions for the rigid oscillating body. The numerical procedure employs the second-order projection scheme to decouple the governing equations, and the multigrid algorithm with three levels to improve the computational efficiency in evaluating of the pressure equation. The present CFD method is validated through comparing the computed flutter derivatives of the ITP without slot to Theodorsen analytical solutions. Then, the unsteady aerodynamics of the ITP with and without central slot is investigated. It is found that even a smaller ratio of central slot of the ITP has notable effects on pressure distributions of the downstream section, and the pressure distributions on the downstream section will further be significantly affected by the slot ratio and the reduced wind speeds. Continuous increase of $A_2^*$ with the increase of central slot may be the key feature of the slotted ITP. Finally, flutter analyses based on the flutter derivatives of the slotted ITP are performed, and moreover, flutter instabilities of a scaled sectional model of a twin-deck bridge with various ratios of deck slot are investigated. The results confirm that the central slot is effective to improve bridge flutter stabilities, and that the flutter critical wind speeds increase with the increase of slot ratio.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.5
no.4
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pp.513-528
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2013
A floating Oscillating Water Column (OWC) wave energy converter, a Backward Bent Duct Buoy (BBDB), was simulated using a state-of-the-art, two-dimensional, fully-nonlinear Numerical Wave Tank (NWT) technique. The hydrodynamic performance of the floating OWC device was evaluated in the time domain. The acceleration potential method, with a full-updated kernel matrix calculation associated with a mode decomposition scheme, was implemented to obtain accurate estimates of the hydrodynamic force and displacement of a freely floating BBDB. The developed NWT was based on the potential theory and the boundary element method with constant panels on the boundaries. The mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) approach was employed to capture the nonlinear free surfaces inside the chamber that interacted with a pneumatic pressure, induced by the time-varying airflow velocity at the air duct. A special viscous damping was applied to the chamber free surface to represent the viscous energy loss due to the BBDB's shape and motions. The viscous damping coefficient was properly selected using a comparison of the experimental data. The calculated surface elevation, inside and outside the chamber, with a tuned viscous damping correlated reasonably well with the experimental data for various incident wave conditions. The conservation of the total wave energy in the computational domain was confirmed over the entire range of wave frequencies.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.16
no.1
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pp.77-86
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2003
Dynamic response of baffled fuel-storage tank in turnaround motion is simulated using the ALE finite element method. Fuel-storage tank undergoes abrupt impact load caused by inertia force of internal fuel in turnaround motion. Also, large dynamic force and moment caused by this load influence structural stability and control system. In this paper, ring-type baffles are adopted to suppress the dynamic influence. Through the parametric analysis with respect to the baffle number and location, the effects of baffle on the dynamic response of baffled fuel-storage tank is analyzed. The ALE finite element method is adopted for the accurate and effective simulation of the hydrodynamic interaction between fluid and structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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