Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.12
no.2
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pp.70-80
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2000
Princeton Ocean Model (POM) is modified to construct a three-dimensional, semi-implicit hydro¬dynamic model with a wetting-and-drying scheme. The model employs semi-implicit treatment of the barotropic pressure gradient terms and the vertical mixing terms in the momentum equations, and the velocity divergence term in the vertically-integrated continuity equation. Such treatment removes the external mode and thus the mode splitting scheme in POM, allowing the semi-implicit model to use a larger time step. Applied to hypothetical systems, both the semi-implicit model and POM give nearly the same results. The semi-implicit model, however, runs approximately 4.4 times faster than POM showing its improved computational efficiency. Applied to a hypothetical system with intertidal flats, POM employing the mode splitting scheme produces noises at the intertidal flats, that propagate into the main channel resulting in unstable current velocities. Despite its larger time step, the semi-implicit model gives stable current velocities both at the intertidal flats and main channel. The semi-implicit model when applied to Kyeonggi Bay gives a good reproduction of the observed tides and tidal currents throughout the modeling domain, demonstrating its prototype applicability.
In this paper the unsteady fluid-structure interaction (FSI) problems with large structural displacement are solved by partitioned solution approaches in the arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element framework. The incompressible Navier-Stokes equations are solved by the characteristic-based split (CBS) scheme. Both a rigid body and a geometrically nonlinear solid are considered as the structural models. The latter is solved by Newton-Raphson procedure. The equation governing the structural motion is advanced by Newmark-${\beta}$ method in time. The dynamic mesh is updated by using moving submesh approach that cooperates with the ortho-semi-torsional spring analogy method. A mass source term (MST) is introduced into the CBS scheme to satisfy geometric conservation law. Three partitioned coupling strategies are developed to take FSI into account, involving the explicit, implicit and semi-implicit schemes. The semi-implicit scheme is a mixture of the explicit and implicit coupling schemes due to the fluid projection splitting. In this scheme MST is renewed for interfacial elements. Fixed-point algorithm with Aitken's ${\Delta}^2$ method is carried out to couple different solvers within the implicit and semi-implicit schemes. Flow-induced vibrations of a bridge deck and a flexible cantilever behind an obstacle are analyzed to test the performance of the proposed methods. The overall numerical results agree well with the existing data, demonstrating the validity and applicability of the present approaches.
A component-scale two-phase analysis code has been developed for a realistic simulation of two-phase flow transients in a light water nuclear reactor component. In the code, a two-fluid three-field model is adopted and the governing equations are solved on an unstructured mesh. For the numerical solution scheme, the semi-implicit method used in the RELAP5 code was selected, which has been proved to be very stable and accurate for most of practical applications. However, some modifications were needed for its application to an unstructured non-staggered grid. This paper presents the modified semi-implicit numerical method for unstructured grid and the preliminary results of the calculations.
A two-phase (gas and liquid) flow analysis solver, named CUPID, has been developed for a realistic simulation of transient two-phase flows in light water nuclear reactor components. In the CUPID solver, a two-fluid three-field model is adopted and the governing equations are solved on unstructured grids for flow analyses in complicated geometries. For the numerical solution scheme, the semi-implicit method of the RELAP5 code, which has been proved to be very stable and accurate for most practical applications of nuclear thermal hydraulics, was used with some modifications for an application to unstructured non-staggered grids. This paper is concerned with the effects of interpolation schemes on the simulation of two-phase flows. In order to stabilize a numerical solution and assure a high numerical accuracy, the second-order upwind scheme is implemented into the CUPID code in the present paper. Some numerical tests have been performed with the implemented scheme and the comparison results between the second-order and first-order upwind schemes are introduced in the present paper. The comparison results among the two interpolation schemes and either the exact solutions or the mesh convergence studies showed the reduced numerical diffusion with the second-order scheme.
A two-phase (gas and liquid) flow analysis solver, named CUPID, has been developed for a realistic simulation of transient two-phase flows in light water nuclear reactor components. In the CUPID solver, a two-fluid three-field model is adopted and the governing equations are solved on unstructured grids for flow analyses in complicated geometries. For the numerical solution scheme, the semi-implicit method of the RELAP5 code, which has been proved to be very stable and accurate for most practical applications of nuclear thermal hydraulics, was used with some modifications for an application to unstructured non-staggered grids. This paper is concerned with the effects of interpolation schemes on the simulation of two-phase flows. In order to stabilize a numerical solution and assure a high numerical accuracy, the second-order upwind scheme is implemented into the CUPID code in the present paper. Some numerical tests have been performed with the implemented scheme and the comparison results between the second-order and first-order upwind schemes are introduced in the present paper. The comparison results among the two interpolation schemes and either the exact solutions or the mesh convergence studies showed the reduced numerical diffusion with the second order scheme.
A three-dimensional (3D) unstructured hydrodynamic solver for transient two-phase flows has been developed for a 3D component of a nuclear system code and a component-scale analysis tool. A two-fluid three-field model is used for the two-phase flows. The three fields represent a continuous liquid, an entrained liquid, and a vapour field. An unstructured grid is adopted for realistic simulations of the flows in a complicated geometry. The semi-implicit ICE (Implicit Continuous-fluid Eulerian) numerical scheme has been applied to the unstructured non-staggered grid. This paper presents the numerical method and the preliminary results of the calculations. The results show that the modified numerical scheme is robust and predicts the phase change and the flow transitions due to boiling and flashing very well.
In this paper we study implicit-explicit (IMEX) methods combined with a semi-Lagrangian scheme to evaluate the prices of fixed strike arithmetic Asian options under jump-diffusion models. An Asian option is described by a two-dimensional partial integro-differential equation (PIDE) that has no diffusion term in the arithmetic average direction. The IMEX methods with the semi-Lagrangian scheme to solve the PIDE are discretized along characteristic curves and performed without any fixed point iteration techniques at each time step. We implement numerical simulations for the prices of a European fixed strike arithmetic Asian put option under the Merton model to demonstrate the second-order convergence rate.
The paper presents a comparison between a semi-implicit time integration linear finite element implementation and fully-implicit nonlinear Newton-Raphson finite element implementation of a triphasic small strain mixture formulation of an elastic partially saturated porous medium. The pore air phase pressure pa is assumed atmospheric, i.e., $p_a$ = 0, although the formulation and implementation are general to handle increase in pore air pressure as a result of loading, if needed. The solid skeleton phase is assumed linear isotropic elastic and partially saturated 'consolidation' in the presence of surface infiltration and traction is simulated. The verification of the implementation against an analytical solution for partially saturated pore water flow (no deformation) and comparison between the two implementations is presented and the important of the porosity-dependent nature of the partially saturated permeability is assessed on comparison with a commercial code for the partially saturated flow with deformation. As a result, the response of partially saturated permeability subjected to the porosity influences on the saturation of a soil, and the different behaviors of the partially saturated soil between staggered and monolithic coupled programs is worth of attention because the negative pore water pressure in the partially saturated soil depends on the difference.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.11
no.9
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pp.3583-3589
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2010
The semi-implicit scheme proposed by Backhaus is introduced to solve two-dimensional shallow water equation. This mothod is applied for the numerical model solving surface elevation and velocity field of Geum River estuary. For the verification of the method, numerical solutions by this model are compared with ones by Heap's well known explicit model. Solutions of two models resemble each other. The time-step chosen for the semi-implicit scheme turned out to be 3 to 6 times longer than explicit model depending on the stringent CFL criterion. The computation time could be reduced at least 50%. It was proved that this scheme is easy to handle dry banks which can be seen in Geum River estuary and numerical stability is obtained for long time computation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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