• Title/Summary/Keyword: Stokes problem

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점성 효과에 의한 경사진 방파제 입구에서의 토사 이동에 관한 연구 (On the Study of the Mass Transport near the Entrance of Inclined Breakwaters due to Viscosity)

  • 조일형;공도식
    • 한국항만학회지
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    • 제6권2호
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    • pp.25-31
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    • 1992
  • Herein we investigate the mass transport velocity caused by the viscosity near the ocean structure such as circular pile and inclined breakwaters. The mass transport velocity which is represented by the sum of the Eulerian velocity and the stokes drift were derived by Carter, Liu and Mei(1973). The tangential components of the inviscid velocity field at the bottom needed in the calculation of the mass transport velocity is obtained by solving the scattering problem due to breakwaters. The matched asymptotic expansion technique is employed to obtain the inviscid flow fields scattered by inclined breakwaters. The numerical results show that heary sediments tends to be deposited near the center of breakwaters and that the narrowing of the entrance width results in reduction of the magnitude of mass transport.

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SPH을 활용한 3차원 비선형 파랑모형 개발 (Development of 3-D Nonlinear Wave Driver Using SPH)

  • 조용준;김권수
    • 대한토목학회논문집
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    • 제28권5B호
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    • pp.559-573
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    • 2008
  • Navier-Stokes식, Gaussian 분포형 용출함수를 이용한 내부조파, energy absorbing layer로 삼차원 파랑모형을 새롭게 구성하였다. Navier-Stokes식의 수치적분에는 정교한 수치기법인 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)가 활용된다. 제안된 파랑모형의 검증은 삼차원 포물형 용기에서의 sloshing현상과 Thacker(1981)의 해석해를 토대로 수행되었다. 초기 수면 형상이 Gaussian hump인 경우와 일방향으로 경사진 경우에 대해 수치모의 하였다. 수치모의 결과 수면이 융기되도록 구속한 외부조건이 해제되면서 시작되는 자유진동의 정성적 거동은 비교적 정확히 모의되었으나 시간이 경과될수록 위상차, 침수선이 퇴각하는 등 초기 수면과는 상당히 다른 결과를 보였다. 최종적인 검증은 쐐기모양 해안에서의 비선형 천수, 굴절거동의 수치모의를 토대로 진행되었다. 수치모의 결과 굴절되는 양이 Hamiltonian ray theory가 제공하는 수치보다 전반적으로 작게 나타났다. 이러한 현상은 이상유체와 선형 이론에 기초한 Hamiltonian ray theory에서 간과된 비선형성, 점성으로 인한 양안과 저면에서의 에너지 감쇄, 쇄파 과정에 유동계에 도입되는 에너지 감쇄, 선행파랑에 의한 down-rush와 조우시 발생하는 도수 등에 기인하는 것으로 판단된다.

유한요소 비압축성 유동장 해석을 위한 이중공액구배법의 GPU 기반 연산에 대한 연구 (A Study on GPU Computing of Bi-conjugate Gradient Method for Finite Element Analysis of the Incompressible Navier-Stokes Equations)

  • 윤종선;전병진;정혜동;최형권
    • 대한기계학회논문집B
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    • 제40권9호
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    • pp.597-604
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    • 2016
  • 본 연구에서는 GPU를 이용한 비압축성 유동장의 병렬연산을 위하여, P2P1 유한요소를 이용한 분리 알고리즘 내의 행렬 해법인 이중공액구배법(Bi-Conjugate Gradient)의 CUDA 기반 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘을 이용해 비대칭 협착관 유동을 해석하고, 단일 CPU와의 계산시간을 비교하여 GPU 병렬 연산의 성능 향상을 측정하였다. 또한, 비대칭 협착관 유동 문제와 다른 행렬 패턴을 가지는 유체구조 상호작용 문제에 대하여 이중공액구배법 내의 희소 행렬과 벡터의 곱에 대한 GPU의 병렬성능을 확인하였다. 개발된 코드는 희소 행렬의 1개의 행과 벡터의 내적을 병렬 연산하는 커널(Kernel)로 구성되며, 최적화는 병렬 감소 연산(Parallel Reduction), 메모리 코얼레싱(Coalescing) 효과를 이용하여 구현하였다. 또한, 커널 생성 시 워프(Warp)의 크기에 따른 성능 차이를 확인하였다. 표준예제들에 대한 GPU 병렬연산속도는 CPU 대비 약 7배 이상 향상됨을 확인하였다.

경기만 염하수로에서의 잔차류 및 수송량의 대조-소조 변동과 단면 특성 (The Cross-Sectional Characteristic and Spring-Neap Variation of Residual Current and Net Volume Transport at the Yeomha Channel)

  • 이동환;윤병일;우승범
    • 한국해안·해양공학회논문집
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    • 제29권5호
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    • pp.217-227
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    • 2017
  • 경기만 염하수로에서 시 공간적으로 변화하는 총수송량과 잔차류를 산정하고자 소조기와 대조기에 염하수로의 하류(정선-1), 염하수로 중간 지점(정선-2)에서 13시간 동안 단면 유속을 관측하였다. 총수송량은 Eulerian flux와 Stokes drift의 합인 Lagrange flux로 계산하였고, 잔차류는 최소자승법을 이용하여 구하였다. 총수송량과 잔차류의 계산은 관측 시간별, 수평 수직 sigma 좌표계로 변환하여 수행하였다. 변환된 sigma 좌표체계는 z-level 좌표 체계와 비교하였을 때 주 방향 유속 오차가 3~5% 내외로 자료 분석에 무리가 없는 것으로 판단되었다. 분석결과 단면 잔차류는 정선-1에서는 대조기에 주 수로 방향에서 북향, 수로 양 끝 단에서 남향하였으며, 소조기에는 수직적으로 표층에서는 창조, 저층에서는 낙조하는 이층흐름 구조를 보였다. 반면 정선-2에서는 대조, 소조 모두 남향(낙조)하였다. 한편 총수송량은 정선-1에서는 대조 시와 소조 시에 각각 $359m^3s^{-1}$, $248m^3s^{-1}$로 북향(창조), 정선-2에서 대조 시와 소조 시에 각각 $576m^3s^{-1}$, $67m^3s^{-1}$로 남향(낙조)하였다. 정선 별 공간 수송량 차이로 영종도와 강화도 사이의 조간대 지역의 순 유출량을 추정하였으며, 크기는 대조기와 소조기에 각각 $935m^3s^{-1}$, $315m^3s^{-1}$로 나타났다. 이처럼 대 소조기와 공간적 특성에 따라 잔차류와 순 수송량이 변화되는 주된 요인은 순압력구배와 Stokes drift가 복합적으로 작용한 결과이다.

비압축성 유동계산을 위한 계층 요소 사용의 검토 (An Investigation of the Use of Hierarchical Elements for Incompressible Flow Computations)

  • 김진환;정창률
    • 대한기계학회논문집B
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    • 제26권9호
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    • pp.1209-1217
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    • 2002
  • The use of a two dimensional hierarchical elements are investigated for the incompressible flow computation. The construction of hierarchical elements are explained by both a geometric configuration and a determination of degrees of freedom. Also a systematic treatment of essential boundary values has been developed for the degrees of freedom corresponding to higher order terms. The numerical study for the poisson problem shows that the computation with hierarchical higher order elements can increase the convergence rate and accuracy of finite element solutions in more efficient manner than the use of standard first order element. for Stokes and Cavity flow cases, a mixed version of penalty function approach has been introduced in connection with the hierarchical elements. Solutions from hierarchical elements showed better resolutions with consistent trends in both mesh shapes and the order of elements.

형상충전기법과 세분화된 유동장 재생성기법을 이용한 자유표면을 가진 비압축성 점성유동의 수치적 모사 (Numerical Analysis of Incompressible Viscous Flow with Free Surface Using Pattern Filling and Refined Flow Field Regeneration Techniques)

  • 정준호;양동렬
    • 대한기계학회논문집A
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    • 제20권3호
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    • pp.933-944
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    • 1996
  • In this paper, two new techniques, the pattern filling and the refined flow field regeneration, based on the finite element method and Eulerian mesh advancement approach have been developed to analyze incompressible viscous flow with free surfaces. The gorerning equation for flow analysis is Navier-Stokes equation including inertia and gravity effects. The penalty and Newton-Raphson methods are used effectively for finite element formulation. The flow front surface and the volume inflow rate are calculated using the pattern filling technique to select an adequate pattern among five filling patterns at each quadrilateral control volume. By the refined flow field regeneration technique, the new flow field which renders better prediction in flow surface shape is generated and the velocity field at the flow front part is calculated more exactly. Using the new thchniques to be developed, the dam-breaking problem has been analyzed to predict flow phenomenon of fluid and the predicted front positions versus time have been compared with the reported experimental result.

2차원 비압축성 점성유동에 관한 무격자법 기반의 수치해석 (NUMERICAL STUDY ON TWO-DIMENSIONAL INCOMPRESSIBLE VISCOUS FLOW BASED ON GRIDLESS METHOD)

  • 정세민;박종천;허재경
    • 한국전산유체공학회:학술대회논문집
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    • 한국전산유체공학회 2009년 춘계학술대회논문집
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    • pp.239-244
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    • 2009
  • The gridless (or meshfree) methods, such as MPS, SPH, FPM an so forth, are feasible and robust for the problems with moving boundary and/or complicated boundary shapes, because these methods do not need to generate a grid system. In this study, a gridless solver, which is based on the combination of moving least square interpolations on a cloud of points with point collocation for evaluating the derivatives of governing equations, is presented for two-dimensional unsteady incompressible Navier-Stokes problem in the low Reynolds number. A MAC-type algorithm was adopted and the Poission equation for the pressure was solved by successively in the moving least square sense. Some weighing functions were tested in order to investigate the up-winding effect for the convection term. Some typical problems were solved by the presented solver for the validation and the results obtained were compared with analytic solutions and the numerical results by conventional CFD methods, such as FVM.

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Multi-objective Optimization of a Laidback Fan Shaped Film-Cooling Hole Using Evolutionary Algorithm

  • Lee, Ki-Don;Husain, Afzal;Kim, Kwang-Yong
    • International Journal of Fluid Machinery and Systems
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    • 제3권2호
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    • pp.150-159
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    • 2010
  • Laidback fan shaped film-cooling hole is formulated numerically and optimized with the help of three-dimensional numerical analysis, surrogate methods, and the multi-objective evolutionary algorithm. As Pareto optimal front produces a set of optimal solutions, the trends of objective functions with design variables are predicted by hybrid multi-objective evolutionary algorithm. The problem is defined by four geometric design variables, the injection angle of the hole, the lateral expansion angle of the diffuser, the forward expansion angle of the hole, and the ratio of the length to the diameter of the hole, to maximize the film-cooling effectiveness compromising with the aerodynamic loss. The objective function values are numerically evaluated through Reynolds- averaged Navier-Stokes analysis at the designs that are selected through the Latin hypercube sampling method. Using these numerical simulation results, the Response Surface Approximation model are constructed for each objective function and a hybrid multi-objective evolutionary algorithm is applied to obtain the Pareto optimal front. The clustered points from Pareto optimal front were evaluated by flow analysis. These designs give enhanced objective function values in comparison with the experimental designs.

내재적 경계 조건을 이용한 자유표면 유동 수치해석 (Numerical Simulation on the Free Surface using implicit boundary condition)

  • 이공희;백제현
    • 한국전산유체공학회지
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    • 제4권1호
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    • pp.19-26
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    • 1999
  • This paper describes a numerical method for predicting the incompressible unsteady laminar three-dimensional flows with free-surface. The Navier-Stokes equations governing the flows have been discretized by means of finite-difference approximations, and the resulting equations have been solved via the SIMPLE-C algorithm. The free-surface is defined by the motion of a set of marker particles and the interface behaviour was investigated by means of a "Lagrangian" technique. Using the GALA concept of Spalding, the conventional mass continuity equation is modified to form a volumetric or bulk-continuity equation. The use of this bulk-continuity relation allows the hydrodynamic variables to be computed over the entire flow domain including both liquid and gas regions. Thus, the free-surface boundary conditions are imposed implicitly and the problem formulation is greatly simplified. The numerical procedure is validated by comparing the predicted results of a periodic standing waves problems with analytic solutions. The results show that this numerical method produces accurate and physically realistic predictions of three-dimensional free-surface flows.

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직교격자상에서 효율적인 비압축성 자유표면유동 해법 (AN EFFICIENT ALGORITHM FOR INCOMPRESSIBLE FREE SURFACE FLOW ON CARTESIAN MESHES)

  • 고광수;안형택
    • 한국전산유체공학회지
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    • 제19권4호
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    • pp.20-28
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    • 2014
  • An efficient solution algorithm for simulating free surface problem is presented. Navier-Stokes equations for variable density incompressible flow are employed as the governing equation on Cartesian meshes. In order to describe the free surface motion efficiently, VOF(Volume Of Fluid) method utilizing THINC(Tangent of Hyperbola for Interface Capturing) scheme is employed. The most time-consuming part of the current free surface flow simulations is the solution step of the linear system, derived by the pressure Poisson equation. To solve a pressure Poisson equation efficiently, the PCG(Preconditioned Conjugate Gradient) method is utilized. This study showed that the proper application of the preconditioner is the key for the efficient solution of the free surface flow when its pressure Poisson equation is solved by the CG method. To demonstrate the efficiency of the current approach, we compared the convergence histories of different algorithms for solving the pressure Poisson equation.