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.
A long wave induced by a Gaussian-shape submarine landslide is simulated by a 2D fully nonlinear numerical wave tank (NWT). The NWT is based on the boundary element method and the mixed Eulerian/Lagrangian approach. Using the NWT, physical characteristics of land-slide tsunami, including wave generation, propagation, particle kinematics, hydrodynamic pressure, run-up and depression, are simulated for the early stage of long wave generation and propagation. Various sliding mass heights are applied to the developed model for a systematic sensitivity analysis. In particular, the fully nonlinear NWT results are compared with linear results (exact body-boundary conditions with linear free-surface conditions) to identify the nonlinear effects in the respective cases.
A deep water wave prediction model applicable to the East Sea is presnted. This model incorporates rediative transter of energy specrum, atmospheric input form the wind, nonlinear interaction, and energy dissipation by white capping. The propagation scheme by Gadd shows satisfactory results and the characteristics of the nonlinear interaction is simulated well by discrete interaction approximatiion. The application of the model to the sea around the Korean Peninsula shows reasonable agreement with the observation.
비선형의 정도에 따른 Boussinesq 모형의 특성을 비교하기 위해 약비선형 모형인 MIKE21 BW 모듈과 완전비선형 모형인 FUNWAVE 모형을 이용하여 수치실험을 수행하였다. 진폭별 조파실험, 심해 파형경사별 천수실험 그리고 사주 지형상의 파랑 전파실험을 수행하였고, 이상의 실험을 통해 비선형성이 부각되는 천해역에서 비선형 모형의 중요성을 확인하였다. 특히 완전 비선형 모형이 약비선형 모형에 비해 비대칭 파형의 재현성이 우수하고, 천수현상에 따른 파고의 증가가 상대적으로 크게 나타나는 모형 간 특성을 확인하였다.
In this study, the wave profiles and kinematics of highly nonlinear waves at various water depths were calculated using a 2D fully nonlinear Numerical Wave Tank (NWT). The NWT was developed based on the Boundary Element Method (BEM) with the potential theory and the mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) time marching scheme by 4th-order Runge-Kutta time integration. The spatial variation of intermediate-depth waves along the direction of wave propagation was caused by the unintended generation of 2nd-order free waves, which were originally investigated both theoretically and experimentally by Goda (1998). These free waves were induced by the mismatch between the linear motion of wave maker and nonlinear displacement of water particles adjacent to the maker. When the 2nd-order wave maker motion was applied, the spatial modulation of the waves caused by the free waves was not observed. The respective magnitudes of the nonlinear wave components for various water depths were compared. It was found that the high-order wave components greatly increase as the water depth decreases. The wave kinematics at various locations were calculated and compared with the linear and the Stokes 2nd-order theories.
In this work, the iterative coupling of finite element and boundary element methods for the investigation of coupled fluid-fluid, solid-solid and fluid-solid wave propagation models is reviewed. In order to perform the coupling of the two numerical methods, a successive renewal of the variables on the common interface between the two sub-domains is performed through an iterative procedure until convergence is achieved. In the case of local nonlinearities within the finite element sub-domain, it is straightforward to perform the iterative coupling together with the iterations needed to solve the nonlinear system. In particular, a more efficient and stable performance of the coupling procedure is achieved by a special formulation that allows to use different time steps in each sub-domain. Optimized relaxation parameters are also considered in the analyses, in order to speed up and/or to ensure the convergence of the iterative process.
The linear constitutive relations and the failure criteria of composite materials made of thermoviscoelastic solids are presented. The post-failure material behavior is proposed and the dynamic finite element equations are formulated. However, a nonlinear term is kept in the energy equation because it represents the effect of the second law of thermodynamics. A general purpose nonlinear three-dimensional dynamic finite element program COMPASS is upgraded and employed in this work to investigate the interdependence among stress wave propagation, stress concentration, failure progression and temperature elevation in composite materials. The consequence of truthfully incorporating the second law of thermodynamics is clearly observed: it will always cause temperature rise if there exists a dynamic mechanical process.
The theory of nonlinear elastic wave propagation is important in multiple scientific and engineering fields. In this study, we present a comprehensive examination of nonlinear elastic wave profiles through a contemporary approach of successive approximation. This research is related to nonlinear elastic wave models along different types of nonlinearities. Murnaghan potential is used due to the assumption of the hyper-elastic materials. We explore the complication of the governing equations and go through the behaviors of nonlinear waves in one dimension. The comparative aspect of our study is a distinctive feature, as we evaluate and contrast the results obtained using successive approximation along different nonlinearities. Additionally, we present graphical representations of our findings, enhancing the visual comprehension of the wave profiles and their evolution. This study contributes to the nonlinear elastic wave analysis and comparison.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제12권1호
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pp.168-177
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2020
Many coastal engineering designs utilize empirical formulas containing the Equivalent Deep-water Wave Height (EDWH), which is normally given a priori. However, no studies have explicitly discussed a method for determining the EDWH and the resulting design wave heights (DEWH) under irregular wave conditions. Unfortunately, it has been the case in many design practices that the EDWH is incorrectly estimated by dividing the Shallow-water Wave Height (SWH) at the structural position with its corresponding shoaling coefficient of regular wave. The present study reexamines the relationship between the Shallow-water Wave Height (SWH) at the structural position and its corresponding EDWH. Then, a new procedure is proposed to facilitate the correct estimation of EDWH. In this procedure, the EDWH and DEWH are determined differently according to the wave propagation model used to estimate the SWH. For this, Goda's original method for nonlinear irregular wave deformation is extended to produce values for linear shoaling. Finally, exemplary calculations are performed to assess the possible errors caused by a misuse of the wave height calculation procedure. The relative errors with respect to the correct values could exceed 20%, potentially leading to a significant under-design of coastal or harbor structures in some cases.
Kim, Kyung-Im;Kim, Sungsoo S.;Lee, Dong-Hun;Kim, Kihong
한국우주과학회:학술대회논문집(한국우주과학회보)
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한국우주과학회 2004년도 한국우주과학회보 제13권1호
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pp.84-84
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2004
Using a one-dimensional MHD code of Total Variation Diminishing (TVD) scheme, we perform simulations of propagation of nonlinear magnetosonic waves. A magnetosonic wave is a longitudinal wave propagating perpendicularly to the magnetic field lines, and involves compression and rarefaction of the magnetic field lines and the plasma. We first confirm the theoretical solution of Lee and Kim (2000) for the evolution of nonlinear magnetosonic waves in the homogeneous space. (omitted)
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[게시일 2004년 10월 1일]
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