wave propagation algorithm
در نشریات گروه فنی و مهندسی-
نشریه مهندسی عمران و محیط زیست دانشگاه تبریز، سال پنجاه و سوم شماره 1 (پیاپی 110، بهار 1402)، صص 1 -12در این مقاله، یک نسخه اصلاح شده الگوریتم پخش موج مرتبه دوم نوع گودونو (Godunov) با دقت بالا به منظور مدل سازی کلان نگر یک بعدی جریان ترافیک ارایه شده است. روش موردنظر یک مدل خوش توازن بوده و قادر به رفتار کردن مولفه های منبع در داخل تفاوت شارهای مجاور روش حجم محدود می باشد. علاوه بر این، روش موردنظر از نوعی سرعت تقریبی جدید ریمان برای پخش عددی در حل معادلات مشتق های پاره ای غیرخطی هذلولوی (Hyperbolic) جریان ترافیک که پاسخ تحلیلی ندارند استفاده می نماید. عملکرد روش پیشنهادی با انتخاب دو مدل متداول پین- ویتهام (Whitham) و مدل پین- ویتهام بر اساس رفتار توامان فیزیولوژیکی- روان شناختی راننده مورد ارزیابی قرار گرفته است، لذا مسیله ایست- و- حرکت جریان ترافیک، با چهار ناپیوستگی برای یک مسیر دایره ای با شرایط مرزی تناوبی انتخاب شد. در مقایسه الگوریتم پیشنهادی با تکنیک تجزیه رو که به طور معمول برای گسسته سازی مدل کلان نگر جریان ترافیک مورداستفاده است، تغییرات مکانی- زمانی دو متغیر سرعت و چگالی و پروفیل های مربوطه در زمان های مختلف ارایه گردید. نتایج مبین این مطلب است که الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با تکنیک تجزیه رو، پاسخ های قابل قبول سازگار و پایدار با رعایت خاصیت حفظ مقدار مثبت و کنترل خطای پخش عددی، خصوصا برای مدل متداول در برآورد متغیرهای اساسی جریان ترافیک ارایه می دهد. برای مدل متداول در مدت زمان شبیه سازی با استفاده از تکنیک تجزیه رو، علاوه بر چگالی های غیرمجاز، سرعت غیرممکن منفی 14 متر بر ثانیه مشاهده می شود، درصورتی که روش پیشنهادی در برآوردن خاصیت حفظ مقدار مثبت موفق عمل کرده است.کلید واژگان: مدل های جریان ترافیک کلان نگر مرتبه دوم، الگوریتم پخش موج با دقت بالا، روش موج شار، حل کننده ریمانJournal of Civil and Environmental Engineering University of Tabriz, Volume:53 Issue: 1, 2023, PP 1 -12In this paper, a high-resolution version of the Godunov-type second-order Wave Propagation Algorithm (WPA) for one-dimensional macroscopic traffic flow modeling is presented. The method is a well-balanced model and is able to behave the source terms within the flux-differencing adjacent to the finite volume method. The defined numerical scheme utilizes the advantage of combination both approximate and exact Riemann speeds which enables the method to avoid non-negative velocities. To the best of authors’ knowledge, no development of WPA with high-resolution for the common macroscopic Payne- Whitham (PW) model and its extended versions has taken place so far.Keywords: Second-order macroscopic traffic flow models, Wave propagation algorithm, Flux-wave approach, Riemann solver
-
هدف
در این مقاله یک روش عددی جدید، با استفاده از تکنیک حجم محدود نوع گودونو، نسخه موج شار الگوریتم پخش موج اصلاح شده با دقت بالا برای حل یک بعدی مدل کلان نگر مرتبه دوم جریان ترافیک ارایه شده است.
روش شناسی پژوهشاز مدل متداول پین-ویتهام و مدل پین-ویتهام مبتنی بر پاسخ فیزیولوژیکی راننده به منظور صحت سنجی حل عددی استفاده شده است. معادلات مشتق های پاره ای غیرخطی هذلولوی جریان ترافیک که پاسخ تحلیلی ندارند، با درنظرگرفتن یک سرعت نوین برای امواج ریمن، براساس حل کننده ریمن تقویت شده، حل شده اند. در این روش ابتدا معادلات غیرخطی به یک مسئله شبه خطی قطری با منحنی های مشخصه خطی تبدیل شده و مولفه های منبع مربوطه در تفاضل شار سلول های محاسباتی حجم محدود شرکت داده می شوند. راه حل های موج مرتبه دوم و شرایط پرش اولیه آن ها درنظرگرفته شده و نتایج عددی به دست آمده برای دو مدل پین-ویتهام قبل و بعد از لحاظ کردن پاسخ فیزیولوژیکی راننده، با تکنیک تجزیه رو به عنوان روش متداول در گسسته سازی مدل های کلان نگر مرتبه دوم جریان ترافیک مقایسه می شوند.
یافته هامسئله انتشار صف در حالت جریان یکنواخت با دو ناپیوستگی شامل امواج شوک و متعاقبا امواج انبساطی، با شرایط مرزی تناوبی به عنوان مثال عددی انتخاب شده است. پروفیل های سرعت و چگالی در زمان های مختلف به همراه تغییرات مکانی-زمانی آن ها و نرخ تردد جریان ترافیک کلان نگر ارایه گردیده است.
اصالت/ارزش افزوده علمینتایج عددی حاصل نشان می دهد که روش پیشنهادی رفتار واقع بینانه تری را برای دو مدل ذکرشده درخصوص متغیرهای اساسی جریان ترافیک فراهم می کند.
کلید واژگان: مدل سازی عددی، جریان ترافیک کلان نگر، الگوریتم پخش موج، روش موج شار، حل کننده ریمنPurposeIn this paper, a novel numerical method, using the Godunov-type finite volume technique, the flux wave version of Modified Wave Propagation Algorithm (MWPA) with high-resolution is presented to solve one-dimensional second-order macroscopic model of traffic flow.
MethodologyTo demonstrate the effectiveness of the proposed approach, the commonly employed Payne–Whitham model and PW based on driver physiological response have been used. The hyperbolic nonlinear Partial Derivatives Equations (PDEs) of traffic flow which do not have analytical solution are solved considering a new Riemann wave speeds, based on an augmented Riemann solver. In this method, nonlinear equations are first transformed into a diagonal quasi-linear problem with linear characteristic curves, the corresponding source terms are involved in the flux difference of finite volume computational cells. The second-order wave solutions and their initial jump conditions are considered and the obtained numerical results are compared with Roe Decomposition Technique (RDT) as a common method in macroscopic traffic flow models discretization for the PW model before and after considering driver physiological response.
FindingsThe problem of queue propagation in uniform traffic flow condition with two discontinuities including shock waves and subsequent rarefaction waves with periodic boundary conditions was selected as a numerical example. Velocity and density profiles at different times, the spatio-temporal changes of the two mentioned variables and traffic flow rates were presented.
Originality/ValueThe numerical results indicate that the proposed method provides a more realistic behavior for the two mentioned models regarding the basic variables of traffic flow.
Keywords: Numerical modelling, Macroscopic Traffic Flow, Wave propagation algorithm, Flux wave method, Rieman solver -
در این مقاله از یک مدل پخش موج تغییریافته گودونو برای مدل سازی سقوط جریان آزاد آب بروی سطح خشک استفاده می گردد. مدل موردنظر یک مدل خوش توازن بوده و قادر به رفتار کردن مولفه های منبع جریان ورودی/خروجی به بستر و هم چنین مولفه های اصطکاک در داخل تفاوت شارهای مجاور روش حجم محدود می باشد. علاوه بر این، روش موردنظر از نوعی سرعت تقریبی جدید ریمان برای پخشیدگی بر روی سطح خشک استفاده می نماید. در ابتدا جریان ورودی از کف به مخزن به صورت جت آزاد مورد بررسی قرار می گیرد. سپس ورود جریان آب به حالت سقوط آزاد و از وسط و دو کناره مخزن بر روی سطح خشک شبیه سازی می گردد. جهت مشخص نمودن اعتبار مدل عددی ارائه شده برای فشارهای غیرهیدرواستاتیک، از یک عدد بدون بعد بر اساس سرعت ورودی، طول دهانه و ارتفاع سقوط استفاده گردیده است. نتایج حاصله از روش عددی معرفی شده با نتایج حاصله از نرم افزار استار سی دی که یک نرم افزار تجاری حل معادلات ناویر-استوکس است، مقایسه گردیده است. نتایج عددی نشان می دهد که الگوی عددی شار موج معرفی شده با مولفه های تقریبی جدید سرعت، قادر به شبیه سازی سقوط برای سطح خشک برای محدوده معرفی شده عدد بی بعد می باشد.کلید واژگان: مدل سازی عددی، الگوریتم پخش موج، معادلات آب های کم عمق، نرم افزار استار سی دیIn this paper a modified Godunov-type wave propagation algorithm is utilised for the modelling of falling water wave over a dry bed. The defined numerical model is well-balanced and is capable to treat the influx/efflux source terms and also the friction term within the flux-differencing of the finite volume neighbouring cells. Additionally, the method employs a rather simple HLLE wave speed for the propagation over dry-state. First the efflux flow from the bed of a reservoir is analyzed. Then, the entrance of falling water wave from the middle and edge sides of the reservoir over a dry bottom is simulated. In order to validate the achieved numerical results for the non-hydrostatic pressure situations a dimensionless number based upon the inflow velocity, the slot length and the falling height is introduced. The obtained results of the defined numerical solver are then compared with the numerical prediction of the STAR-CD which is a commercial Navier-Stokes package. The numerical results demonstrate that the introduced flux-wave solver is able to simulate the falling water waves over the dry-state for a given range of the dimensionless number.Keywords: Numerical Modeling, Wave Propagation Algorithm, Shallow Water Equations, STAR-CD software
-
در این مقاله معادلات جریان غیر ماندگار در لوله ها کشسان در حالت دو بعدی ، توسط یک روش بخش موج گودونف مدل سازی می گردند. مدل عددی ارائه شده در اینجا قادر است ترم های اصطکاک را در داخل تفاوت دو سلول مجاور روش حجم محدود قرار داده و شارموجهای مرتبط با آن را محاسبه نماید. برا ی لحاظ کردن عبارات اصطکاک در اینجا از مدل آشفته بالدوین-لوماکس استفاده می گردد. در ابتدا الگوی عددی برای حل معادلات ضربه قوچ برای یک لوله متصل به مخزن استفاده شده و نتایج عددی حاصل با حل دقیق در دو حالت بدون اصطکاک و همچنین با نظر گرفتن ترم های اصطکاک پایدار مقایسه می گردد.کلید واژگان: ضربه قوچ، الگوریتم پخش موج، روش شار موج، الگوی بالدوین لوماکسIn this paper the two-dimensional unsteady flow within the elastic pipes is modelled based on a Godunov-type wave propagation algorithm. The numerical solver applied herein treats the friction source term within the flux-differencing of the finite volume neighboring cells to calculate the relevant flux-waves. In order to include the unsteady friction term the Baldwin-Lomax turbulence model is utilized. First, the method is examined to model the water hammer problem for a pipe connected to reservoir and the obtained numerical results are compared with the exact solution with both frictionless and steady friction terms. Then, the proposed scheme is employed to simulate the flow within two pipes with different Reynolds number (Re=15800, Re=5800) and the numerical simulations are validated with the available experimental data.Keywords: Water hammer problem, Wave propagation algorithm, Flux wave approach, Baldwin-Lomax method
-
یکی از چالش های مهم در علوم مهندسی، بررسی دقیق پدیده های فیزیکی می باشد. پژوهش حاضر مربوط به یک مخزن با بستر تر می باشد که ورود آب به داخل آن در سه حالت بررسی می شود. هنگام ورود آب به مخزن، حالت های مختلفی از جریان رخ می دهد که از نظر مدل سازی هیدرولیکی بسیار پیچیده می باشد. این پیچیدگی به طور کلی مرتبط با مکانیزم های مختلف جریان در هنگام ورود به آب مخزن و پخش جریان روی بستر می باشد که بایستی با استفاده از معادلات ناویر استوکس با سطح آزاد و به صورت سه بعدی مدل سازی گردد. به دلیل پیچیدگی زیاد و زمان بر بودن مدل سازی معادلات ناویر استوکس، از معادلات آب های کم عمق با فرض فشار هیدرواستاتیک استفاده می شود. حالت اول مربوط به ورود آب به داخل مخزن از کف می باشد. در حالت دوم، جریان ورودی از بالا و وسط مخزن مورد بررسی قرار می گیرد و سپس ورود آب از بالا و کناره های مخزن مدل سازی می گردد. برای هر کدام از این حالت ها، یک عدد بدون بعد بر اساس سرعت ورودی، طول دهانه و ارتفاع سقوط تعریف می گردد که نشان دهنده ی محدوده ای قابل اطمینان برای همخوانی میان نتایج می باشد. در نهایت، نتایج حاصل از حل عددی با استفاده از معادلات آب های کم عمق با نتایج نرم افزار استار سی دی که حل کننده معادلات ناویر-استوکس می باشد، مقایسه می گردد. طبق بررسی ها، نتایج از مطابقت خوبی برخوردار می باشند.کلید واژگان: الگوریتم پخش موج، معادلات آب های کم عمق، معادلات ناویر استوکس، مدل سازی عددی، نرم افزار استار سی دیAccurate investigation of physical phenomena is one of the important challenges in engineering fields. The present study is about a wet tank which entrance of water is investigated in three cases. When the water wave moves into a tank, complex flow regimes are created. This complexity is mainly associated with different flow mechanisms during the entrance of water and propagation of waves at the bottom bed that should be modelled by means of Navier-Stokes equations with free-surface capability and in 3D phase. Due to complexity and time consuming of Navier-Stokes equations modelling, Shallow water equations are used with the assumption of hydrostatic pressure. First case is about efflux over a wet bed. Second, water influx from the middle top is investigated and then influx from top edges is modelled. A dimensionless number is introduced for each case based on water velocity, gap length and drop height which shows acceptable domain for appropriate compatibility between results. Finally, results of numerical modelling are compared with Navier-Stokes solutions which are obtained from STAR-CD software. Results show admissible compatibility with each other based on observations and inspections.Keywords: Wave Propagation Algorithm, Shallow Water Equations, Navier-Stokes Equations, Numerical Modelling, STAR-CD software
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.