A multiphase flow modeling approach equipped with a hybrid turbulence modeling method is applied to compute the gravity currents in a rectangular channel. The present multiphase solver considers the dense fluid, the less-dense ambient fluid and the air above free surface as three phases with separate flow equations for each phase. The turbulent effect is simulated by the IDDES (improved delayed detach eddy simulation), a hybrid RANS/LES, approach which resolves the turbulent flow away from the wall in the LES mode and models the near wall flow in RANS mode on moderately fine computational meshes. The numerical results show that the present model can successfully reproduce the gravity currents in terms of the propagation speed of the current heads and the emergence of large-scale Kelvin-Helmholtz type interfacial billows and their three dimensional break down into smaller turbulent structures, even on the relatively coarse mesh for wall-modeled RANS computation with low-Reynolds number turbulence model. The present solutions reveal that the modeling approach can capture the large-scale three dimensional behaviors of gravity current head accompanied by the lobe-and-cleft instability at affordable computational resources, which is comparable to the LES results obtained on much fine meshes. It demonstrates that the multiphase modeling method using the hybrid turbulence model can be a promising engineering solver for predicting the physical behaviors of gravity currents in natural environmental configurations.
Hydraulic conductivity along rock fracture is mainly dependent on fracture geometries such as orientation, aperture, roughness and connectivity. Therefore, it needs to consider fracture geometries sufficiently on a fracture model for a numerical analysis to calculate permeability coefficient in a fracture. This study performed new type of numerical analysis using a homogenization analysis method to calculate permeability coefficient accurately along single fractures with several fracture models that were considered fracture geometries as much as possible. First of all, fracture roughness and aperture variation due to normal stress applied on a fracture were directly measured under a confocal laser scaning microscope (CLSM). The acquired geometric data were used as input data to construct fracture models for the homogenization analysis (HA). Using the constructed fracture models, the homogenization analysis method can compute permeability coefficient with consideration of material properties both in microscale and in macroscale. The HA is a new type of perturbation theory developed to characterize the behavior of a micro inhomogeneous material with a periodic microstructure. It calculates micro scale permeability coefficient at homogeneous microscale, and then, computes a homogenized permeability coefficient (C-permeability coefficient) at macro scale. Therefore, it is possible to analyze accurate characteristics of permeability reflected with local effect of facture geometry. Several computations of the HA were conducted to prove validity of the HA results compared with the empirical equations of permeability in the previous studies using the constructed 2-D fracture models. The model can be classified into a parallel plate model that has fracture roughness and identical aperture along a fracture. According to the computation results, the conventional C-permeability coefficients have values in the range of the same order or difference of one order from the permeability coefficients calculated by an empirical equation. It means that the HA result is valid to calculate permeability coefficient along a fracture. However, it should be noted that C-permeability coefficient is more accurate result than the preexisting equations of permeability calculation, because the HA considers permeability characteristics of locally inhomogeneous fracture geometries and material properties both in microscale and macroscale.
The purpose of this study is to develop a two-dimensional land surface flood analysis model based on uniform square grid using the governing equations except for the convective acceleration term in the momentum equation. Finite volume method and implicit method were applied to spatial and temporal discretization. In order to reduce the execution time of the model, parallel computation techniques using CPU were applied. To verify the developed model, the model was compared with the analytical solution and the behavior of the model was evaluated through numerical experiments in the virtual domain. In addition, inundation analyzes were performed at different spatial resolutions for the domestic Janghowon area and the Sebou river area in Morocco, and the results were compared with the analysis results using the CAESER-LISFLOOD (CLF) model. In model verification, simulation results were well matched with the analytical solution, and the flow analyses in the virtual domain were also evaluated to be reasonable. The results of inundation simulations in the Janghowon and the Sebou river area by this study and CLF model were similar with each other and for Janghowon area, the simulation result was also similar to the flooding area of flood hazard map. The different parts in the simulation results of this study and the CLF model were compared and evaluated for each case. The results of this study suggest that the model proposed in this study can simulate the flooding well in the floodplain. However, in case of flood analysis using the model presented in this study, the characteristics and limitations of the model by domain composition method, governing equation and numerical method should be fully considered.
In this study, we coupled a computation fluid dynamics (CFD) model to the local data assimilation and prediction system (LDAPS), a current operational numerical weather prediction model of the Korea Meteorological Administration. We investigated the characteristics of fine particulate matter (PM2.5) distributions in a building-congested district. To analyze the effects of road emission on the PM2.5 concentrations, we calculated road emissions based on the monthly, daily, and hourly emission factors and the total amount of PM2.5 emissions established from the Clean Air Policy Support System (CAPSS) of the Ministry of Environment. We validated the simulated PM2.5 concentrations against those measured at the PKNU-AQ Sensor stations. In the cases of no road emission, the LDAPS-CFD model underestimated the PM2.5 concentrations measured at the PKNU-AQ Sensor stations. The LDAPS-CFD model improved the PM2.5 concentration predictions by considering road emission. At 07 and 19 LST on 22 June 2020, the southerly wind was dominant at the target area. The PM2.5 distribution at 07 LST were similar to that at 19 LST. The simulated PM2.5 concentrations were significantly affected by the road emissions at the roadside but not significantly at the building roof. In the road-emission case, the PM2.5 concentration was high at the north (wind speeds were weak) and west roads (a long street canyon). The PM2.5 concentration was low in the east road where the building density was relatively low.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.37
no.1
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pp.67-76
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2024
In this paper, we present a DIP-MLS testing method that combines digital image processing with a rigid body-based MLS differencing approach to measure mechanical variables and analyze the impact of target location and image resolution. This method assesses the displacement of the target attached to the sample through digital image processing and allocates this displacement to the node displacement of the MLS differencing method, which solely employs nodes to calculate mechanical variables such as stress and strain of the studied object. We propose an effective method to measure the displacement of the target's center of gravity using digital image processing. The calculation of mechanical variables through the MLS differencing method, incorporating image-based target displacement, facilitates easy computation of mechanical variables at arbitrary positions without constraints from meshes or grids. This is achieved by acquiring the accurate displacement history of the test specimen and utilizing the displacement of tracking points with low rigidity. The developed testing method was validated by comparing the measurement results of the sensor with those of the DIP-MLS testing method in a three-point bending test of a rubber beam. Additionally, numerical analysis results simulated only by the MLS differencing method were compared, confirming that the developed method accurately reproduces the actual test and shows good agreement with numerical analysis results before significant deformation. Furthermore, we analyzed the effects of boundary points by applying 46 tracking points, including corner points, to the DIP-MLS testing method. This was compared with using only the internal points of the target, determining the optimal image resolution for this testing method. Through this, we demonstrated that the developed method efficiently addresses the limitations of direct experiments or existing mesh-based simulations. It also suggests that digitalization of the experimental-simulation process is achievable to a considerable extent.
Wind data forecasted from the numerical weather prediction (NWP) model is generally used as the first-guess of the target tracking process to obtain the atmospheric motion vectors(AMVs) because it increases tracking accuracy and reduce computational time. However, there is a contradiction that the NWP model used as the first-guess is used again as the reference in the AMVs verification process. To overcome this problem, model-independent first guesses are required. In this study, we propose the AMVs derivation from Lucas and Kanade optical flow method and then using it as the first guess. To retrieve AMVs, Himawari-8/AHI geostationary satellite level-1B data were used at 00, 06, 12, and 18 UTC from August 19 to September 5, 2015. To evaluate the impact of applying the optical flow method on the AMV derivation, cross-validation has been conducted in three ways as follows. (1) Without the first-guess, (2) NWP (KMA/UM) forecasted wind as the first-guess, and (3) Optical flow method based wind as the first-guess. As the results of verification using ECMWF ERA-Interim reanalysis data, the highest precision (RMSVD: 5.296-5.804 ms-1) was obtained using optical flow based winds as the first-guess. In addition, the computation speed for AMVs derivation was the slowest without the first-guess test, but the other two had similar performance. Thus, applying the optical flow method in the target tracking process of AMVs algorithm, this study showed that the optical flow method is very effective as a first guess for model-independent AMVs derivation.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.3
no.3
s.10
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pp.151-163
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2003
In this study, the algorithm of groundwater flow process was established for koreanized groundwater program development dealing with the geographic and geologic conditions of the aquifer have dynamic behaviour in groundwater flow system. All the input data settings of the 3-DFM model which is developed in this study are organized in Korean, and the model contains help function for each input data. Thus, it is designed to get detailed information about each input parameter when the mouse pointer is placed on the corresponding input parameter. This model also is designed to easily specify the geologic boundary condition for each stratum or initial head data in the work sheet. In addition, this model is designed to display boxes for input parameter writing for each analysis condition so that the setting for each parameter is not so complicated as existing MODFLOW is when steady and unsteady flow analysis are performed as well as the analysis for the characteristics of each stratum. Descriptions for input data are displayed on the right side of the window while the analysis results are displayed on the left side as well as the TXT file for this results is available to see. The model developed in this study is a numerical model using finite differential method, and the applicability of the model was examined by comparing and analyzing observed and simulated groundwater heads computed by the application of real recharge amount and the estimation of parameters. The 3-DFM model is applied in this study to Sehwa-ri, and Songdang-ri area, Jeju, Korea for analysis of groundwater flow system according to pumping, and obtained the results that the observed and computed groundwater head were almost in accordance with each other showing the range of 0.03 - 0.07 error percent. It is analyzed that the groundwater flow distributed evenly from Nopen-orum and Munseogi-orum to Wolang-bong, Yongnuni-orum, and Songja-bong through the computation of equipotentials and velocity vector using the analysis result of simulation which was performed before the pumping started in the study area. These analysis results show the accordance with MODFLOW's.
Recent radiotherapy dose planning system (RTPS) generally adapted the kernel beam using the convolution method for computation of tissue dose. To get a depth and profile dose in a given depth concerened a given photon beam, the energy spectrum was reconstructed from the attenuation dose of transmission of filter through iterative numerical analysis. The experiments were performed with 15 MV X rays (Oncor, Siemens) and ionization chamber (0.125 cc, PTW) for measurements of filter transmitted dose. The energy spectrum of 15MV X-rays was determined from attenuated dose of lead filter transmission from 0.51 cm to 8.04 cm with energy interval 0.25 MeV. In the results, the peak flux revealed at 3.75 MeV and mean energy of 15 MV X rays was 4.639 MeV in this experiments. The results of transmitted dose of lead filter showed within 0.6% in average but maximum 2.5% discrepancy in a 5 cm thickness of lead filter. Since the tissue dose is highly depend on the its energy, the lateral dose are delivered from the lateral spread of energy fluence through flattening filter shape as tangent 0.075 and 0.125 which showed 4.211 MeV and 3.906 MeV. In this experiments, analyzed the energy spectrum has applied to obtain the percent depth dose of RTPS (XiO, Version 4.3.1, CMS). The generated percent depth dose from $6{\times}6cm^2$ of field to $30{\times}30cm^2$ showed very close to that of experimental measurement within 1 % discrepancy in average. The computed dose profile were within 1% discrepancy to measurement in field size $10{\times}10cm$, however, the large field sizes were obtained within 2% uncertainty. The resulting algorithm produced x-ray spectrum that match both quality and quantity with small discrepancy in this experiments.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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