This paper presents an elasto-plastic model for determination of the ground response curve of a circular underwater tunnel excavated in elastic-strain softening rock mass compatible with a nonlinear Hoek-Brown yield criterion. The finite difference method (FDM) was used to propose a new solution to calculate pore water pressure, stress, and strain distributions on periphery of circular tunnels in axisymmetric and plain strain conditions. In the proposed solution, a modified non-radial flow pattern, for the hydraulic analysis, is utilized. To evaluate the effect of gravitational loads and variations of pore water pressure, the equations concerning different directions around the tunnel (crown, wall, and floor) are derived. Regarding the strain-softening behavior of the rock mass, the stepwise method is executed for the plastic zone in which parameters of strength, dilatancy, stresses, strains, and deformation are different from their elasto-plastic boundary values as compared to the tunnel boundary values. Besides, the analytical equations are developed for the elastic zone. The accuracy and application of the proposed method is demonstrated by a number of examples. The results present the effects of seepage body forces, gravitational loads and dilatancy angle on ground response curve appropriately.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.11
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pp.1413-1421
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1997
A new control method to alleviate the impulsive noise at the exit of high-speed railway tunnel was applied to the compression wave at the entrance of the tunnel. This method uses the interaction phenomenon of unsteady expansion wave and unsteady compression wave. Unsteady expansion wave was assumed to be made instantaneously by the simple theory of shock tube. Total Variation Diminishing method was employed to solve the axisymmetric unsteady compressible flow field with a specified compression wave. Numerical results show that the maximum pressure gradient of the propagating compression wave decreases with increase of the wave length of the unsteady expansion wave. It is found that the impulsive noise reduction can be obtained when the unsteady expansion wave with a large wave length is emitted just before the train enters the tunnel. The present results give the possibility to reduce the impulsive noise at the exit of tunnel.
An axisymmetric flow induced by a train moving into a tunnel is numerically simulated. The effect of train shape on wavefront of a compression wave created by a train is investigated parametrically using several model trains having the same nose shape but different blockage. The zonal method combined with the Fortified Solution Algorithm (FSA) is employed as a numerical algorithm to solve this moving body problem. The computational result is compared with the experimental data. Good agreement is obtained, which justifies the present computational approach. The compression waves created by the model trains are compared and the result shows that the pressure gradient of the wavefront of the compression wave becomes small in the case of small blockage even though the nose shape is same. The wavefront is not determined solely by the cross-sectional area distribution of the train nose.
Ahn, Byoung-Kwon;Jeong, So-Won;Kim, Ji-Hye;Shao, Siyao;Hong, Jiarong;Arndt, Roger E.A.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.9
no.2
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pp.227-237
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2017
In this paper, we investigated physical characteristics of an artificial supercavity generated behind an axisymmetric cavitator. Experiments for the same model were carried out at two different cavitation tunnels of the Chungnam National University and the University of Minnesota, and the results were compared and verified with each other. We measured pressures inside the cavity and observed the cavity formation by using a high-speed camera. Cavitation parameters were evaluated in considering blockage effects of the tunnel, and gravitational effects on supercavity dimensions were examined. Cavity dimensions corresponding to the unbounded cavitation number were compared. In addition, we investigated how artificial supercavitation develops according to the combination of injection positions and direction.
Based on the extended spatial mobilization plane (SMP) criterion, we present an elastic-brittle-plastic solution for an axisymmetric cylindrical tunnel. The influences of the intermediate principal compressive stress and material strain-softening behavior are considered. Closed-form formulas for the critical support force, radius of plastic zone, and distributions of stress and displacement in surrounding rock are proposed. The elastic-plastic solution based on SMP is compared with the Kastner solution to verify the credibility of the obtained elastic-plastic solution. The elastic-brittle-plastic solution following the SMP criterion and the current solution based on the Mohr-Coulomb criterion are also compared. The rock strain-softening rate and the intermediate principal stress affect the stability of the surrounding rock. The results provide guidance for optimizing the design of support systems for tunnels.
Lee, Ik In;Han, Geu Roo;Kim, Teo Ho;Kim, Heuy Dong
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.22
no.2
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pp.52-58
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2018
Hysteresis phenomena are often encountered in a wide variety of fluid flow systems used in industrial and engineering applications. Hence, in recent years, a significant amount of research been focusing on clarifying the physics of the flow hysteresis appearing during the transient change of the pressure ratios and influencing the performance of the supersonic wind tunnel. However, investigations on the hysteresis phenomenon, particularly when it occurs inside the supersonic wind tunnel, are rare. In this study, numerical simulations were carried out to investigate the hysteresis phenomena of the shock waves encountered in a supersonic wind tunnel. The unsteady and compressible flow was analyzed with an axisymmetric model, and the N-S equations were solved by using a fully implicit finite volume scheme. The optimal pressure ratio was determined from the hysteresis curves, and the results can be utilized to operate the wind tunnel efficiently.
Cavitation causes a great deal of noise, damage to components, vibrations, and a loss of efficiency in devices, such as propellers, pump impellers, nozzles, injectors, torpedoes, etc., Thus, cavitating flow simulation is of practical importance for many engineering systems. In this study, a two-phase flow solver based on the homogeneous mixture model has been developed. The flow characteristics around an axisymmetric cylinder were calculated and then validated by comparing with the experimental results in the cavitation water tunnel at the Korea Ocean Research & Development Institute. The results show that this solver is highly suitable for simulating the cavitating flows. After the code validation, the cavity length with changes of water depth, angle of attack and velocity were obtained.. Cavitation inception was also calculated for various operational conditions.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.34
no.3
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pp.9-18
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1997
Experimental and numerical studies are carried out to investigate flow characteristics around an axisymmetric body with and without a compound propulsor. The effects of a compound propulsor are investigated as measuring the surface pressure distribution and the velocity profiles using LDV system in the cavitation tunnel of KRISO. The incompressible Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equations are also solved using the finite volume method. The standard k-${\varepsilon}$ turbulence model is adopted for turbulence closure. In order to calculate propeller-hull interaction, the induced velocity calculated by lifting surface theory is considered as the boundary condition at the propeller plane. The experimental data obtained in this study can provide a useful database for development and validation of CFD code.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.46
no.8
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pp.652-661
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2018
It is necessary to resolve the absolute velocity as well as Mach number to reflect the high temperature effect in high speed flow. So this region is classified as high enthalpy flows distinguished from high speed flows. Many facilities, such as arc-jet, shock tunnel, etc. has been used to obtain the high enthalpy flows at the ground level. However, it is difficult to define the exact test condition in this type of facilities, because some chemical reactions and energy transfer take place during the experiments. In the present study, a quasi 1D code considering the thermochemical non-equilibrium effect is developed to effectively estimate the test condition of a shock tunnel. Results show that the code gives reasonable solution compared with the results from the known experiments and 2D axisymmetric simulations.
The objective of this paper is to present abacuses obtained from a parametric study of deep-lined tunnels using a numerical finite element model. This numerical model was implemented in software GEOMEC91, which is a two-dimensional axisymmetric model that considers the progress of excavation and the placing of the lining through the activation and deactivation of elements. It is adopted a step of excavation constant (1/3 of radius), constant velocity and circular cross section along the tunnel axis. It is used for rock mass a viscoplastic constitutive law with von-Mises criterion of viscoplasticity without hardening whose deformation rate over time is given by the Bingham model. The lining uses a linear elastic constitutive law. In total are 1716 analysis presented in 60 abacuses that show the value of ultimate convergence ($U_{eq}$) due to tunneling speed. In addition, it is shown an example of the use of the abacuses to determine the ultimate convergence ($U_{eq}$) of the tunnel and pressure ($P_{eq}$) on the lining.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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