A Semi-Lagrangian method based on CIP(Cubic Interpolated Pseudoparticle)method is proposed and it is applied to solve the two dimensional advection equation. Especially the attentions are given to settle the pole problem and to enhance the accuracy in solving the advection equation on the spherical coordinate system. Tn this algorithm, the CU method is employed as the Semi-Lagrangian method and extended to the spherical coordinate system. To enhance the accuracy of the solution, the spatial discretization is made by CIP method. The mathematical formulation and numerical results are also described. To verify the efficiency, accuracy and capability of proposed algorithm, two dimensional rotating cosine bell problem and the frontogenesis problem are simulated by the present scheme. As results, it is confirmed that the present scheme gives an accurate solution and settles the pole problem in the advection equation on the sphere.
In this paper, a general Weighted Essentially Non-Oscillatory (WENO) interpolation is proposed and applied to a semi-Lagrangian method. The proposed method is based on the conservation law, and characteristic curves are used to complete the semi-Lagrangian method. Therefore, the proposed method satisfies conservation of mass and is free of the CFL condition which is a necessary condition for convergence. Using a several standard examples, the proposed method is compared with the third order Strong Stability Preserving (SSP) Runge-Kutta method to verify the high-order accuracy.
Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference
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2006.05a
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pp.99-104
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2006
A semi-Lagrangian finite element scheme with objective time stepping algorithm for solving viscoelastic flow problem is presented. The convection terms in the momentum and constitutive equations are treated using a quasi-monotone semi-Lagrangian scheme, in which characteristic feet on a regular grid are traced backwards over a single time-step. Concerned with the generalized midpoint rule type of algorithms formulated to exactly preserve objectivity, we use the geometric transformation such as pull-back, push-forward operation. The method is applied to the 4:1 planar contraction problem for an Oldroyd B fluid for both creeping and inertial flow conditions.
Bubble columns are widely encountered in several industries, especially in the field of nuclear safety. The Eulerian-Eulerian and the Eulerian-Lagrangian methods are commonly used to investigate bubble columns. Eulerian approaches require additional tasks such as strict volume conservation at the interface and a predefined well-structured grid. In contrast, the Lagrangian approach can be easily implemented. Hence, we introduce a fully Lagrangian approach for the simulation of bubble columns using the discrete bubble model (DBM) and moving particle semi-implicit (MPS) methods. Additionally, we propose a rigorous method to estimate the volume fraction accurately, and verified it through experimental data and analytical results. The MPS method was compared with the experimental data of Dambreak. The DBM was verified by analyzing the terminal velocity of a single bubble for each bubble size. It agreed with the analytical results for each of the four drag correlations. Additionally, the improved method for calculating the volume fraction showed agreement with the Ergun equation for the pressure drop in a packed bed. The implemented MPS-DBM was used to simulate the bubble column, and the results were compared with the experimental results. We demonstrated that the MPS-DBM was in quantitative agreement with the experimental data.
Numerical experiments are conducted using a three-dimensional baroclinic equation model and a Lagrangian method for clarifying the effect of th settling velocity on the suspended solids diffusion caused by the dredging and the reclamination works. Diffusion characteristics of the neutral particles and the weighting particles is experimented by the Lagrangian particles trajectory model, The results show that the diffusion characteristics of the suspended solids is effected by the settling velocity classified by the particles size in the density layered semi-closed bay. To estimate exactly the diffusion characteristics of the suspended solids and the contaminant with weight the three-dimensional baroclinic equation model and the three-dimensional Lagrangian particles trajectory model considering the settling velocity of the particle in the density layered semi-closed bay must be used.
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 paper the unsteady fluid-structure interaction (FSI) problems with large structural displacement are solved by partitioned solution approaches in the arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element framework. The incompressible Navier-Stokes equations are solved by the characteristic-based split (CBS) scheme. Both a rigid body and a geometrically nonlinear solid are considered as the structural models. The latter is solved by Newton-Raphson procedure. The equation governing the structural motion is advanced by Newmark-${\beta}$ method in time. The dynamic mesh is updated by using moving submesh approach that cooperates with the ortho-semi-torsional spring analogy method. A mass source term (MST) is introduced into the CBS scheme to satisfy geometric conservation law. Three partitioned coupling strategies are developed to take FSI into account, involving the explicit, implicit and semi-implicit schemes. The semi-implicit scheme is a mixture of the explicit and implicit coupling schemes due to the fluid projection splitting. In this scheme MST is renewed for interfacial elements. Fixed-point algorithm with Aitken's ${\Delta}^2$ method is carried out to couple different solvers within the implicit and semi-implicit schemes. Flow-induced vibrations of a bridge deck and a flexible cantilever behind an obstacle are analyzed to test the performance of the proposed methods. The overall numerical results agree well with the existing data, demonstrating the validity and applicability of the present approaches.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.11
s.242
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pp.1455-1462
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2005
In this paper, we intend to introduce a nonlinear finite element method based on the fully nonlinear potential flow theory in order to simulate the large amplitude sloshing flow in two-dimensional baffled tank subject to horizontally forced excitation. The free surface is tracked by a direct time differentiation scheme with the four-step predictor-corrector time integration method. The flow velocity is accurately recovered from the velocity potential by second-order least square method. In order to maintain the finite element mesh regularity and total mass, the semi-Lagrangian surface tracking method with area conservation is applied. According to the numerical formulae, we perform the parametric experiments by varying the installation height and the opening width of baffles, in order to examine the effects of baffle on the nonlinear liquid sloshing. From the numerical results, the hydrodynamic characteristics of the large amplitude sloshing are investigated.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.23
no.6
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pp.675-682
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2010
The flood impact pressure acting on a vertical wall resulting from a dam-breaking problem is simulated using a navier-Stokes(N-S) solver. The N-S solver uses Eulerian Finite Volume Method(FVM) along with Volume Of Fluid(VOF) method for 2-D incompressible free surface flows. A Split Lagrangian Advection(SLA) scheme for VOF method is implemented in this paper. The SLA scheme is developed based on an algorithm of Piecewise Linear Interface Calculation(PLIC). The coupling between the continuity and momentum equations is affected by using a well-known Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations (SIMPLE) algorithm. Several two-dimensional numerical simulations of the dam-breaking problem are presented to validate the accuracy and demonstrate the capability of the present algorithm. The significance of the time step and grid resolution are also discussed. The computational results are compared with experimental data and with computations by other numerical methods. The results showed a favorable agreement of water impact pressure as well as the global fluid motion.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.369-376
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2002
The stochastic analysis of semi-infinite domain is presented using the weighted integral method, which is improved to include the higher order terms in expanding the displacement vector. To improve the weighted integral method, the Lagrangian remainder is taken into account in the expansion of the status variable with respect to the mean value of the random variables. In the resulting formulae only the 'proportionality coefficients' are introduced in the resulting equation, therefore no additional computation time and memory requirement is needed. The equations are applied in analyzing the semi-infinite domain. The results obtained by the improved weighted integral method are reasonable and are in good agreement with those of the Monte Carlo simulation. To model the semi-infinite domain, the Bettess's infinite element is adopted, where the theoretical decomposition of the strain-displacement matrix to calculate the deviatoric stiffness of the semi-infinite domains is introduced. The calculated value of mean and the covariance of the displacement are revealed to be larger than those given by the finite domain assumptions which is thought to be rational and should be considered in the design of structures on semi-infinite domains.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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