Experimental study of sedimentation and self-weight consolidation has been primary research area in dredged soil. However, good quality of the dredged soil and minimum water pollution caused by the pumping of reclaimed soil require intensive study of the flow characteristics of dredged material due to dumping. In this study, continuity and the equilibrium equations for mass flow assuming single phase was derived to simulate mass flow in dredged containment area. To optimize computation and modeling time for three dimensional geometry and boundary conditions, depth integration is applied to governing equations to consider three dimensional topography of the site. Petrov-Galerkin formulation is applied in spatial discretization of governing equations. Generalized trapezoidal rule is used for time integration, and Newton iteration process approximated the solution. DG and CDG technique were used for weighting matrix in discontinuous test function in dredged flow analysis, and numerical stability was evaluated by performed a square slump simulation. A comparative analysis for numerical methods showed that DG method applied to SU / PG formulation gives minimal pseudo oscillation and reliable numerical results.
Kim, Jin;Kim, Kwang-Soo;Kim, Gun-Do;Park, Il-Ryong;Van, Suak-Ho
Journal of Ship and Ocean Technology
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v.10
no.4
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pp.1-11
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2006
The finite volume based multi-block RANS code, WAVIS developed at MOERI is applied to the numerical self-propulsion test. WAVIS uses the cell-centered finite volume method for discretization of the governing equations. The realizable $k-{\epsilon}$ turbulence model with a wall function is employed for the turbulence closure. The free surface is captured with the two-phase level set method and body forces are used to model the effects of a propeller without resolving the detail blade flow. The propeller forces are obtained using an unsteady lifting surface method based on potential flow theory. The numerical procedure followed the self-propulsion model experiment based on the 1978 ITTC performance prediction method. The self-propulsion point is obtained iteratively through balancing the propeller thrust, the ship hull resistance and towing force that is correction for Reynolds number difference between the model and full scale. The unsteady lifting surface code is also iterated until the propeller induced velocity is converged in order to obtain the propeller force. The self-propulsion characteristics such as thrust deduction, wake fraction, propeller efficiency, and hull efficiency are compared with the experimental data of the practical container ship. The present paper shows that hybrid RANS and potential flow based numerical method is promising to predict the self-propulsion parameters of practical ships as a useful tool for the hull form and propeller design.
Pechstein, Astrid;Krommer, Michael;Humer, Alexander
Smart Structures and Systems
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v.30
no.3
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pp.221-237
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2022
This paper is concerned with nonlinear modeling and efficient numerical simulation of electrostrictive materials and structures. Two types of such materials are considered: relaxor ferroelectric ceramics and electrostrictive polymers. For ceramics, a geometrically linear formulation is developed, whereas polymers are studied in a geometrically nonlinear regime. In the paper, we focus on constitutive modeling first. For the reversible constitutive response under consideration, we introduce the augmented Helmholtz free energy, which is composed of a purely elastic part, a dielectric part and an augmentation term. For the elastic part, we involve an additive decomposition of the strain tensor into an elastic strain and an electrostrictive eigenstrain, which depends on the polarization of the material. In the geometrically nonlinear case, a corresponding multiplicative decomposition of the deformation gradient tensor replaces the additive strain decomposition used in the geometrically linear formulation. For the dielectric part, we first introduce the internal energy, to which a Legendre transformation is applied to compute the free energy. The augmentation term accounts for the contribution from vacuum to the energy. In our formulation, the augmented free energy depends not only on the strain and the electric field, but also on the polarization and an internal polarization; the latter two are internal variables. With the constitutive framework established, a Finite Element implementation is briefly discussed. We use high-order elements for the discretization of the independent variables, which include also the internal variables and, in case the material is assumed incompressible, the hydrostatic pressure, which is introduced as a Lagrange multiplier. The elements are implemented in the open source code Netgen/NGSolve. Finally, example problems are solved for both, relaxor ferroelectric ceramics and electrostrictive polymers. We focus on thin plate-type structures to show the efficiency of the numerical scheme and its applicability to thin electrostrictive structures.
Finite element analysis is one of the important methods to study the structural performance. Due to the simplification, discretization and error of structural parameters, numerical model errors always exist. Besides, structural characteristics may also change because of material aging, structural damage, etc., making the initial finite element model cannot simulate the operational response of the structure accurately. Based on Bayesian methods, the initial model can be updated to obtain a more accurate numerical model. This paper presents the work on the field test, modal identification and model updating of a Chinese reinforced concrete pagoda. Based on the ambient vibration test, the acceleration response of the structure under operational environment was collected. The first six translational modes of the structure were identified by the enhanced frequency domain decomposition method. The initial finite element model of the pagoda was established, and the elastic modulus of columns, beams and slabs were selected as model parameters to be updated. Assuming the error between the measured mode and the calculated one follows a Gaussian distribution, the posterior probability density function (PDF) of the parameter to be updated is obtained and the uncertainty is quantitatively evaluated based on the Bayesian statistical theory and the Metropolis-Hastings algorithm, and then the optimal values of model parameters can be obtained. The results show that the difference between the calculated frequency of the finite element model and the measured one is reduced, and the modal correlation of the mode shape is improved. The updated numerical model can be used to evaluate the safety of the structure as a benchmark model for structural health monitoring (SHM).
Journal of the Korean Institute of Telematics and Electronics
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v.26
no.1
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pp.48-61
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1989
In this paper, two-dimensional numerical simulation of GaAs MESFFT with 0.7${\mu}m$ gate length is perfomed. Drift-diffusion model which consider that mobility is a function of local electric field, is used. As a discretization method, instead of FDM (finite difference method) and FEM (finite element method), the Control-Volume Formulation (CVF) is used and as a numerical scheme current hybrid scheme or upwind scheme is replaced by power-law scheme which is very approximate to exponential scheme. In the process of numerical analysis, Peclet number which represents the velocity ratio of drift and diffusion, is introduced. And using this concept a current equation which consider numerical scheme at the interface of control volume, is proposed. The I-V characteristics using the model and numerical method has a good agreement with that of previous paper by others. Therefore, it is confined that it may be useful as a simulator for GaAs MESFET. Besides I-V characteristics, the mechanism of both velocity saturation in drift-diffusion model is described from the view of velocity and electric field distribution at the bottom of the channel. In addition, the relationship between the mechanism and position of dipole and drain current, are described.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.8
no.4
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pp.91-100
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2008
Numerical implementation with a Cartesian cut-cell method is conducted in this study. A Cartesian cut-cell method is an easy and efficient mesh generation methodology for complex geometries. In this method, a background Cartesian grid is employed for most of computational domain and a cut-cell grid is applied for the peculiar grids where the flow characteristics are changed such as solid boundary to enhance the accuracy, applicability and efficiency. Accurate representation of complex geometries can be obtained by using the cut-cell method. The cut-cell grids are constructed with irregular meshes which have various shape and size. Therefore, the finite volume method is applied to numerical discretization on a irregular domain. The HLLC approximate Riemann solver, a Godunov-type finite volume method, is employed to discretize the advection terms in the governing equations. The weighted average flux method applied on the Cartesian cut cell grid for stabilization of the numerical results. To validate the numerical model using the Cartesian cut-cell grids, the model is applied to the rectangular tank problem of which the exact solutions exist. As a comparison of numerical results with the analytical solutions, the numerical scheme well represents flow characteristics such as free surface elevation and velocities in x-and y-directions in a rectangular tank with the Cartesian and cut-cell grids.
A Computational Fluid Dynamics model is presented in this study for the simulation of the complex fluid flows with free surfaces inside the Tuned Liquid Column Dampers in horizontal motion. The characteristics of the fluid model of the TLCD in horizontal motion include the free surface of the multiphase flow and the horizontal moving frame. In this study, the time depend unsteady Standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulent model based on Navier-Stokes equations is chosen. The volume of fluid (VOF) method and sliding mesh technique are adopted to track the free surface of water inside the vertical columns of TLCD and treat the moving boundary of the walls of TLCD in horizontal motion. Several model solution parameters comprising different time steps, mesh sizes, convergence criteria and discretization schemes are examined to establish model parametric independency results. The simulation results are compared with the experimental data in the dimensionless amplitude of the water column in four different configured groups of TLCDs with four different orifice areas. The predicted natural frequencies and the head loss coefficient of TLCDs from CFD model are also compared with the experimental data. The predicted numerical results agree well with the available experimental data.
In this paper, a stabilized large eddy simulation technique is developed to predict turbulent flow with high Reynolds number. Streamline Upwind Petrov-Galerkin (SUPG) stabilized method and three-step technique are both implemented for the finite element formulation of Smagorinsky sub-grid scale (SGS) model. Temporal discretization is performed using three-step technique with viscous term treated implicitly. And the pressure is computed from Poisson equation derived from the incompressible condition. Then two numerical examples of turbulent flow with high Reynolds number are discussed. One is lid driven flow at Re = $10^5$ in a triangular cavity, the other is turbulent flow past a square cylinder at Re = 22000. Results show that the present technique can effectively suppress the instabilities of turbulent flow caused by traditional FEM and well predict the unsteady flow even with coarse mesh.
Based on finite element discretization, two linearization approaches to the defect-correction method for the steady incompressible Navier-Stokes equations are discussed and investigated. By applying $m$ times of Newton and Picard iterations to solve an artificial viscosity stabilized nonlinear Navier-Stokes problem, respectively, and then correcting the solution by solving a linear problem, two linearized defect-correction algorithms are proposed and analyzed. Error estimates with respect to the mesh size $h$, the kinematic viscosity ${\nu}$, the stability factor ${\alpha}$ and the number of nonlinear iterations $m$ for the discrete solution are derived for the linearized one-step defect-correction algorithms. Efficient stopping criteria for the nonlinear iterations are derived. The influence of the linearizations on the accuracy of the approximate solutions are also investigated. Finally, numerical experiments on a problem with known analytical solution, the lid-driven cavity flow, and the flow over a backward-facing step are performed to verify the theoretical results and demonstrate the effectiveness of the proposed defect-correction algorithms.
In the h-version of F.E.M., all piecewisely smooth curved boundaries can be approximated by a sufficient number of straight-sided elements. However, in the p-version the size of the element is usually large and hence the probability of distortions is more. An attempt has been made to generate a curved boundary by using a transfinite interpolation technique to avoid the discretization errors. In the following sections, it will be shown how to construct transfinite interpolants both in h-version and in p-version over polygonal and nonpolygonal regions. Three numerical tests are shown to validate the applicability and superior capability of transfinite interpolation technique.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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