In this paper, a boundary-type meshfree method, the boundary radial point interpolation method (BRPIM), is presented for solving boundary value problems of two-dimensional solid mechanics. In the BRPIM, the boundary of a problem domain is represented by a set of properly scattered nodes. A technique is proposed to construct shape functions using radial functions as basis functions. The shape functions so formulated are proven to possess both delta function property and partitions of unity property. Boundary conditions can be easily implemented as in the conventional Boundary Element Method (BEM). The Boundary Integral Equation (BIE) for 2-D elastostatics is discretized using the radial basis point interpolation. Some important parameters on the performance of the BRPIM are investigated thoroughly. Validity and efficiency of the present BRPIM are demonstrated through a number of numerical examples.
A new bounce back boundary method of the second order in error is proposed for the lattice Boltzmann fluid simulation. This new method can be used for the arbitrarily irregular lattice geometry of a non-slip boundary. The traditional bounce back boundary condition for the lattice Boltzmann simulation is of the first order in error. Since the lattice Boltzmann method is the second order scheme by itself, a boundary technique of the second order has been desired to replace the first order bounce back method. This study shows that, contrary to the common belief that the bounce back boundary condition is unilaterally of the first order, the second order bounce back boundary condition can be realized. This study also shows that there exists a generalized bounce back technique that can be characterized by a single interpolation parameter. The second order bounce back method can be obtained by proper selection of this parameter in accordance with the detailed lattice geometry of the boundary. For an illustrative purpose, the transient Couette and the plane Poiseuille flows are solved by the lattice Boltzmann simulation with various boundary conditions. The results show that the generalized bounce back method yields the second order behavior in the error of the solution, provided that the interpolation parameter is properly selected. Coupled with its intuitive nature and the ease of implementation, the bounce back method can be as good as any second order boundary method.
Numerical boundary conditions are as important as the governing equations when analyzing the fluid flows numerically. An explicit boundary condition method updates the solutions at the boundaries with extrapolation from the interior of the computational domain, while the implicit boundary condition method in conjunction with an implicit time integration method solves the solutions of the entire computational domain including the boundaries simultaneously. The implicit boundary condition method, therefore, is more robust than the explicit boundary condition method. In this paper, steady compressible 2-Dimensional Navier-Stokes solver is developed. We present the implicit boundary condition method coupled with LU-SGS(Lower Upper Symmetric Gauss Seidel) method. Also, the explicit boundary condition method is implemented for comparison. The preconditioning Navier-Stokes equations are solved on unstructured meshes. The numerical computations for a number of flows show that the implicit boundary condition method can give accurate solutions.
A Composite method of finite element and boundary integral methods is introduced to solve the magnetostatic field problems with open boundary. Only the region of prime interest is taken as the compution region where the finite element method is applied. The boundary conditions of the region are dealt with using boundary integral method. The boundary integration in the boundary integral method is done by numerical and analytical techniques repectively. The proposed method is applied to a simple linear problem, and the results are compared with those of the finite element method and the analytic solutions. It is concluded that the proposed method gives more accurate results than the finite element method under the same computing efforts.
In this study, a new method for treating the wall boundary in smoothed particle hydrodynamics (SPH) is proposed to simulate free surface flows effectively. Unlike conventional methods of wall boundary treatment through boundary particles, in the proposed method, the wall boundary condition is directly imposed by adding boundary truncation terms to the mass and momentum conservation equations. Thus, boundary particles are not used in boundary modeling. Doing so, the wall boundary condition is accurately imposed, boundary modeling is simplified, and computation is made efficient without losing stability in SPH. Performance of the proposed method is demonstrated through several numerical examples: dam break, dam break with a wedge, sloshing, inclined bed, cross-lever rotation, pulsating tank and sloshing with a flexible baffle. These results are compared with available experimental results, analytical solutions, and results obtained using the boundary particle method.
The computation size and accuracy in the boundary element method are mutually coupled and strongly influenced by the formulations in boundary discretization and integration. This aspect is studied numerically for two-dimensional elastodynamic problems in the frequency-domain. The localized nature of error is observed in the computed results. A boundary discretization criterion is examined. The number of integration points in the boundary integration is studied to find the optimum number for accuracy. Useful information is obtained concerning the optimization in boundary discretization and integration.
In meshless methods some techniques to impose essential boundary conditions have been developed since the approximations do not satisfy Kronecker delta properties at nodal points. In this study, new scheme for imposing essential boundary conditions is developed. Weight functions are modified by multiplying with auxiliary weight functions and the resulting shape functions satisfy Kronecker delta property on the bound ary nodes. In addition, the resulting shape functions possess and interpolation features on the boundary segments where essential boundary conditions are prescribed. Therefore the essential boundary conditions can be exactly satisfied with the new method. More importantly, the impositions of essential boundary conditions using the present method is relatively easy as in finite element method. Numerical examples show that the method also retains high convergence rate comparable to Lagrange multiplier method.
In this research the coupling problem between the elastic structure and the fluid, specially the hydroelastic harmonic vibration problem, is studied. In order to couple the domains, i.e., the structural domain and the fluid domain, the boundary integral method(direct boundary integral formulation) is used in the fluid domain in combination with the finite element method for the structure. The boundary integral method has been widely developed to apply it to the hydroelastic vibration problem. The hybrid boundary integral method using eigenfunctions on the radiation boundaries and the boundary integral method using the series form image-functions to replace the even bottom and free surface boundaries in case of high frequencies have been developed and tested. According to the boundary conditions and the frequency ranges the different boundary integral methods with the different idealizations of the fluid boundaries have been studied. Using the same interpolation functions for the pressure distribution and the displacement the two domains have been coupled and using Hamilton principle the solution of the hydroelastic have been obtained through the direct minimizing process. It has become evident that the finite-boundary element method combining with the eigenfunction or the image-function method give good results in comparison with the experimental ones and the other numerical results by the finite element method.
The method of quasilinearization generates a monotone iteration scheme whose iterates converge quadratically to a unique solution of the problem at hand. In this paper, we apply the method to two families of three-point boundary value problems for second order ordinary differential equations: Linear boundary conditions and nonlinear boundary conditions are addressed independently. For linear boundary conditions, an appropriate Green\`s function is constructed. Fer nonlinear boundary conditions, we show that these nonlinearities can be addressed similarly to the nonlinearities in the differential equation.
An efficient boundary-based optimization technique is applied in the numerical computation of free surface flow problems, by reformulating them into the equivalent optimal shape design problems. While the sensitivity in the boundary method has mainly been calculated using the boundary element method (BEM) as an analysis means, the finite element method (FEM) is used in this study because of its popularity and easy-to-use features. The advantage of boundary method is that the design velocity vectors are needed only on the boundary, not over the whole domain. As such, a determination of the complicated domain design velocity field, which is necessary in the domain method, is eliminated, thereby making the process easy to implement and efficient. Seepage and supercavitating flow problem are chosen to illustrate the accuracy and effectiveness of the proposed method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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