The interaction of head waves with an infinite row of identical, equally spaced, rectangular breakwaters is investigated in the presence of uneven bottom topography. Using linear water wave theory and matched eigenfunction expansion method, the boundary value problem is transformed into a system of linear algebraic equations which are numerically solved to know the velocity potentials completely. Utilizing this method, reflected and transmitted wave energy are computed for different physical parameters along with the wave field in the vicinity of breakwaters. It is observed that the wave field becomes more complicated when the incoming wavelength becomes smaller than the channel width. A critical ratio of the gap width to the channel width, corresponding to the inflection point of the transmitted energy variation, is identified for which 1/3 of the total energy is transmitted. Similarly, depending on the incident wavelength, there is a critical breakwater width for which a minimum energy is transmitted. Further, the accuracy of the computed results is verified by using the derived energy relation.
Electron magnetohydrodynamic (EMHD) turbulence provides a fluid-like description of small-scale magnetized plasmas. Most EMHD turbulence studies consider "balanced" EMHD turbulence. However, imbalanced EMHD turbulence has never been studied. In this study, we numerically study "imbalanced" EMHD turbulence. Imbalanced turbulence means that wave packets moving in one direction have high amplitudes or strong perturbations than the others. In driven imbalanced EMHD turbulence, non-zero magnetic helicity is injected. When magnetic helicity is injected at a scale, we expect to have inverse cascade of magnetic helicity, as well as magnetic energy, in three-dimensional (3D) EMHD turbulence. For no helicity injection, we do not observe inverse energy cascade. However, when magnetic helicity is injected, inverse cascade of magnetic helicity is clearly observed. Magnetic energy also shows inverse cascade. In EMHD turbulence, it is well known that magnetic energy on scales smaller than the energy injection scale is forward-cascading quantity and the magnetic energy spectrum follows a k^{-7/3} one. On the other hand, the inverse-cascading entity on scales larger than the energy injection scale is uncertain. If the magnetic helicity is inverse-cascading quantity, we will obtain a k^{-5/3} magnetic energy spectrum. In our simulations, we do observe energy spectrum consistant with k^{-5/3} on large scales. Therefore, we confirm that magnetic helicity indeed is the inverse-cascading entity in 3D EMHD turbulence.
Recently, not only Korea but also the world has been suffering from problems related to coastal erosion. The hard defense method has been primarily used as a countermeasure against erosion. However, this method is expensive and has environmental implications. Hence, interest in other alternative methods, such as the eco-friendly vegetation method, is increasing. In this study, we aim to analyze the hydraulic characteristic of submerged rigid vegetation according to the cross-sectional change through a hydraulic experiment and numerical simulation. From the hydraulic experiment, the reflection coefficient, transmission coefficient, and energy dissipation coefficient were analyzed according to the density, width, and multi-row arrangement of the vegetation zone. From numerical simulations, the flow field, vorticity distribution, turbulence distribution, and wave distribution around the vegetation zone were analyzed according to the crest depth, width, density, and multi-row arrangement distance of the vegetation zone. The hydraulic experiment results suggest that the transmission coefficient decreased as the density and width of the vegetation zone increased, and the multi-row arrangement condition did not affect the hydraulic characteristics significantly. Moreover, the numerical simulations showed that as the crest depth decreased, the width and density of vegetation increased along with vorticity and turbulence intensity, resulting in increased wave height attenuation performance. Additionally, there was no significant difference in vorticity, turbulence intensity, and wave height attenuation performance based on the multi-row arrangement distance. Overall, in the case of submerged rigid vegetation, the wave energy attenuation performance increased as the density and width of the vegetation zone increased and crest depth decreased. However, the multi-row arrangement condition did not affect the wave energy attenuation performance significantly.
Most of the studies on the hydraulic characteristics of wave-current interaction have used 2-D hydraulic experiments or 2-D numerical simulations. However, it is difficult to understand the wave-current interaction found in actual estuaries using these. Therefore, a numerical water tank was constructed in this study to perform simulations involving a 3-D river mouth. The result showed a change in the water surface at the river mouth from the wave-current interaction. With an increase in the ratio ($V_c/C_i$) between the river current and wave celerity, the wave height and mean water level of the river increased at the wave and current meeting point. A higher $V_c/C_i$ caused a stronger wave-current interaction and increased the turbulence kinetic energy. Thus, the wave height attenuation became larger by the wave-current interaction with a higher $V_c/C_i$. In addition, it was possible to understand the flow characteristics in the vicinity of the river mouth as a result of the wave-current interaction using the mean flow and mean time-averaged velocity at the mid-cross section of river.
Numerical Analysis has been done for the supersonic off-design jet flow due to the pressure difference between the jet and the ambient fluid. The difference of pressure generates an oblique shock or an expansion wave at the nozzle exit, The waves reflect repeatedly at the center axis and on the sonic surface in the shear layer, and the pressure difference is resolved across these waves interacted with the turbulence mixing layer. In this paper, the axi-symmetric Navier-Stokes equation has been used with two equation $k-{\varepsilon}$ turbulence closure model. The second order TVD scheme with flux limiters, based on the flux vector split by the smooth eigenvalue split, has been used to capture internal shocks and other discontinuities. The correction term for the compressible flow and the damping function are used in the turbulence model. Numerical calculations have been done to analyze the off-design jet flow due to the pressure difference. The variation of pressure along the flow axis is compared with an experimental result and other numerical result. The characteristics of the interaction between the shock cell and the turbulence mixing layer have been analyzed.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.32
no.2
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pp.106-121
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2020
In order to make harbor outskirt facilities robust using the reliability-based design, probabilistic models of wave heights at varying stage of shoaling process optimized for Korean sea waves are prerequisite. In this rationale, we numerically simulate the nonlinear shoaling process of random waves over the beach with a sandbar at its foreshore. In doing so, comprehensive numerical models made of spatially filtered Navier-Stokes Eq., LES [Large Eddy Simulation], dynamic Smagorinsky turbulence closure were used. Considering the characteristics of swells observed at the east coast of Korean Peninsula, random waves were simulated using JONSWAP wave spectrum of various peak enhancement coefficients and random phase method. The coefficients of probabilistic models proposed in this study are estimated from the results of frequency analysis of wave crests and its associated trough detected by Wave by Wave Analysis of the time series of numerically simulated free surface displacements based on the threshold crossing method. Numerical results show that Modified Glukhovskiy wave height distribution, the most referred probabilistic models at finite water depth in the literature, over-predicts the occurring probability of relatively large and small wave heights, and under predicts the occurrence rate of waves of moderate heights. On the other hand, probabilistic models developed in this study show vary encouraging agreements. In addition, the discrepancy of the Modified Glukhovskiy distribution from the measured one are most visible over the surf zone, and as a result, the Modified Glukhovskiy distribution should be applied with caution for the reliability-based design of harbor outskirt facilities deployed near the surf-zone.
The major objective of this study was to develop further understanding of 3D nearshore hydrodynamics under a variety of wave and tidal forcing conditions. The main tool used was a comprehensive 3D numerical model - combining the flow module of Delft3D with the WAVE solver of XBeach - of nearshore hydro- and morphodynamics that can simulate flow, sediment transport, and morphological evolution. Surf-swash zone hydrodynamics were modeled using the 3D Navier-Stokes equations, combined with various turbulence models (${\kappa}-{\varepsilon}$, ${\kappa}-L$, ATM and H-LES). Sediment transport and resulting foreshore profile changes were approximated using different sediment transport relations that consider both bed- and suspended-load transport of non-cohesive sediments. The numerical set-up was tested against field data, with good agreement found. Different numerical experiments under a range of bed characteristics and incident wave and tidal conditions were run to test the model's capability to reproduce 3D flow, wave propagation, sediment transport and morphodynamics in the nearshore at the field scale. The results were interpreted according to existing understanding of surf and swash zone processes. Our numerical experiments confirm that the angle between the crest line of the approaching wave and the shoreline defines the direction and strength of the longshore current, while the longshore current velocity varies across the nearshore zone. The model simulates the undertow, hydraulic cell and rip-current patterns generated by radiation stresses and longshore variability in wave heights. Numerical results show that a non-uniform seabed is crucial for generation of rip currents in the nearshore (when bed slope is uniform, rips are not generated). Increasing the wave height increases the peaks of eddy viscosity and TKE (turbulent kinetic energy), while increasing the tidal amplitude reduces these peaks. Wave and tide interaction has most striking effects on the foreshore profile with the formation of the intertidal bar. High values of eddy viscosity, TKE and wave set-up are spread offshore for coarser grain sizes. Beach profile steepness modifies the nearshore circulation pattern, significantly enhancing the vertical component of the flow. The local recirculation within the longshore current in the inshore region causes a transient offshore shift and strengthening of the longshore current. Overall, the analysis shows that, with reasonable hypotheses, it is possible to simulate the nearshore hydrodynamics subjected to oceanic forcing, consistent with existing understanding of this area. Part II of this work presents 3D nearshore morphodynamics induced by the tides and waves.
A study, using potential water wave theory, is conducted on the oblique water wave motion over two fixed submerged rectangular blocks (breakwaters) placed over a finite step bottom. We have considered infinite and semi-infinite fluid domains. In both domains, the Fourier expansion method is employed to obtain the velocity potentials explicitly in terms of the infinite Fourier series. The unknown coefficients appearing in the velocity potentials are determined by the eigenfunction expansion matching method at the interfaces. The derived velocity potentials are used to compute the hydrodynamic horizontal and vertical forces acting on the submerged blocks for different values of block thickness, gap spacing between the two blocks, and submergence depth of the upper block from the mean free surface. In addition, the wave load on the vertical wall is computed in the case of the semi-infinite fluid domain for different values of blocks width and the incident wave angle. It is observed that the amplitudes of hydrodynamic forces are negligible for larger values of the wavenumber. Furthermore, the upper block experiences a higher hydrodynamic force than the lower block, regardless of the gap spacing, submergence depth, and block thickness.
A three-dimensional CSCM upwind flux difference splitting Navier-stokes code with two-equation turbulence models was developed to predict the transonic flows in centrifugal compressor diffuser. The k-$\epsilon$ model of Abe et al. performed well in predicting the pressure distribution in the shock wave/turbulent boundary-layer interaction. Three turbulence models predicted the similar distribution of static pressure through the diffuser and showed a good agreement with the experimental results. The secondary flows in the corner were predicted well by these turbulence models. The pressure increase before the throat of the diffuser vane is important for the overall pressure recovery. As the mass flow rate increased the blockage decreased at the throat. The pressure coefficient distribution through the diffuser depended on the throat blockage not on the rotational speed of the impeller.
Generation mechanisms of the three moderate-or-greater (MOG)-level clear-air turbulence (CAT) encounters over South Korea are investigated using the Weather Research and Forecasting (WRF) model. The cases are selected among the MOG-level CAT events occurred in Korea during 2002-2008 that are categorized into three different generation mechanisms (upper-level front and jet stream, anticyclonic flow, and mountain waves) in the previous study by Min et al. For the case at 0127 UTC 18 Jun 2003, strong vertical wind shear (0.025 $s^{-1}$) generates shearing instabilities below the enhanced upper-level jet core of the maximum wind speed exceeding 50 m $s^{-1}$, and it induces turbulence near the observed CAT event over mid Korea. For the case at 2330 UTC 22 Nov 2006, areas of the inertia instability represented by the negative absolute vorticity are formed in the anticyclonically sheared side of the jet stream, and turbulence is activated near the observed CAT event over southwest of Korea. For the case at 0450 UTC 16 Feb 2003, vertically propagating mountain waves locally trigger shearing instability (Ri < 0.25) near the area where the background Richardson number is sufficiently small (0.25 < Ri < 1), and it induces turbulence near the observed CAT over the Eastern mountainous region of South Korea.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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