Proceedings of the Membrane Society of Korea Conference
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1999.07a
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pp.48-51
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1999
To investigate numerically the removal behavior of carbon dioxide in a hollow fiber membrane contactor, the system controlling equations were developed including the nonlinear reversible reaction terms. The reversible chemical reactions were incorporated in the system controlling equations, resulting in the coupled nonlinear partial differential equations which could describe either the absorption of the desorption of carbon dioxide. The computer program was coded using the Fortran language and run with a personal computer to find out the effects of the system variables: the pressures of absorbed and desorbed gases, the absorbent flow rate, the concentration of potassium carbonate, the fiber diameter and the length.
The previous studies reflected the significant effect of neutral-axis position and coupling of in-plane and out-of-plane displacements on behavior of functionally graded (FG) nanobeams. In thin FG beam, this coupling can be eliminated by a proper choice of the reference axis. In shear deformable FG nanobeam, not only this coupling can't be eliminated but also the position of neutral-axis is dependent on through-thickness distribution of shear strain. For the first time, in this paper it is avoided to guess a shear strain shape function and the exact shape function and consequently the exact position of neutral axis for arbitrary gradation of higher order nanobeam are obtained. This paper presents new methodology based on differential transform and collocation methods to solve coupled partial differential equations of motion without any simplifications. Using exact position of neutral axis and higher order beam kinematics as well as satisfying equilibrium equations and traction-free conditions without shear correction factor requirement yields to better results in comparison to the previously published results in literature. The classical rule of mixture and Mori-Tanaka homogenization scheme are considered. The Eringen's nonlocal continuum theory is applied to capture the small scale effects. For the first time, the dependency of exact position of neutral axis on length to thickness ratio is investigated. The effects of small scale, length to thickness ratio, Poisson's ratio, inhomogeneity of materials and various end conditions on vibration and buckling of local and nonlocal FG beams are investigated. Moreover, the effect of axial load on natural frequencies of the first modes is examined. After degeneration of the governing equations, the exact new formulas for homogeneous nanobeams are computed.
The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science
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v.17
no.6
s.109
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pp.501-510
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2006
In this paper, the electromagnetic coupling through a slit in a flanged parallel-plate waveguide with a conducting strip is studied. The coupled integro-differential equations for the electric field over the slit and the induced current over the strip are derived and solved by use of the method of moments. The characteristics of some types of maximum coupling phenomena are investigated from the examinations of the variations of the equivalent slit admittance and the coupled power against various parameters such as the location of conducting strip, operating frequency, and strip length.
The effect of central axial load on natural frequencies of various thin-walled beams, are investigated by some researchers using different methods such as finite element, transfer matrix and dynamic stiffness matrix methods. However, there are situations that the load will be off centre. This type of loading is called eccentric load. The effect of the eccentricity of axial load on the natural frequencies of asymmetric thin-walled beams is a subject that has not been investigated so far. In this paper, the mentioned effect is studied using exact dynamic stiffness matrix method. Flexure and torsion of the aforesaid thin-walled beam is based on the Bernoulli-Euler and Vlasov theories, respectively. Therefore, the intended thin-walled beam has flexural rigidity, saint-venant torsional rigidity and warping rigidity. In this paper, the Hamilton‟s principle is used for deriving governing partial differential equations of motion and force boundary conditions. Throughout the process, the uniform distribution of mass in the member is accounted for exactly and thus necessitates the solution of a transcendental eigenvalue problem. This is accomplished using the Wittrick-Williams algorithm. Finally, in order to verify the accuracy of the presented theory, the numerical solutions are given and compared with the results that are available in the literature and finite element solutions using ABAQUS software.
The relevance of turbulent mixing in estuarine numerical models for stratified two-layer shallow water flows is analysed in this paper. A one-dimensional numerical model was developed for this purpose by extending an immiscible two-layer model with an additional source term, which accounts for turbulent mixing effects, namely the entrainment of fluid from the lower to the upper layer. The entrainment rate is quantified by an empirical equation as a function of the bulk Richardson number. A finite volume method based on an approximated Roe solver was used to solve the governing coupled system of partial differential equations. A comparison of numerical results with and without entrainment is presented to illustrate the influence of entrainment on both the salt-water intrusion length and lower layer dynamics. Furthermore, one example is given to demonstrate how entrainment terms may help to stabilize the numerical scheme and prevent a possible loss of hyperbolicity. Finally, the model with entrainment is validated by comparing the numerical results to field measurements.
Debossam, Joao Gabriel Souza;dos Santos Heringer, Juan Diego;de Souza, Grazione;Souto, Helio Pedro Amaral
Coupled systems mechanics
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v.8
no.2
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pp.129-146
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2019
The main goal of this work is to develop a numerical simulator to study an isothermal single-phase two-component flow in a naturally fractured oil reservoir, taking into account advection and diffusion effects. We use the Peng-Robinson equation of state with a volume translation to evaluate the properties of the components, and the discretization of the governing partial differential equations is carried out using the Finite Difference Method, along with implicit and first-order upwind schemes. This process leads to a coupled non-linear algebraic system for the unknowns pressure and molar fractions. After a linearization and the use of an operator splitting, the Conjugate Gradient and Bi-conjugated Gradient Stabilized methods are then used to solve two algebraic subsystems, one for the pressure and another for the molar fraction. We studied the effects of fractures in both the flow field and mass transport, as well as in computing time, and the results show that the fractures affect, as expected, the flow creating a thin preferential path for the mass transport.
Phenotypic variation among clones (individuals with identical genes, i.e. isogenic individuals) has been recognized both theoretically and experimentally. We investigate the effects of phenotypic variation on evolutionary dynamics of a population. In a population, the individuals are assumed to be haploid with two genotypes : one genotype shows phenotypic variation and the other does not. We use an individual-based Moran model in which the individuals reproduce according to their fitness values and die at random. The evolutionary dynamics of an individual-based model is formulated in terms of a master equation and is approximated as the Fokker-Planck equation (FPE) and the coupled non-linear stochastic differential equations (SDEs) with multiplicative noise. We first analyze the deterministic part of the SDEs to obtain the fixed points and determine the stability of each fixed point. We find that there is a discrete phase transition in the population distribution when the probability of reproducing the fitter individual is equal to the critical value determined by the stability of the fixed points. Next, we take demographic stochasticity into account and analyze the FPE by eliminating the fast variable to reduce the coupled two-variable FPE to the single-variable FPE. We derive a quasi-stationary distribution of the reduced FPE and predict the fixation probabilities and the mean fixation times to absorbing states. We also carry out numerical simulations in the form of the Gillespie algorithm and find that the results of simulations are consistent with the analytic predictions.
Abdelbaki, Bassem M.;Ahmed, Mohamed E. Sayed;Al Kaisy, Ahmed M.
Coupled systems mechanics
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v.11
no.4
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pp.357-371
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2022
This paper presents a parametric study on the free vibration analysis of a functionally graded material (FGM) circular plate with non-uniform thickness resting on a variable Pasternak elastic foundation. The mechanical properties of the material vary in the transverse direction through the thickness of the plate according to the power-law distribution to represent the constituent components. The equation of motion of the circular plate has been carried out based on the classical plate theory (CPT), and the differential quadrature method (DQM) is employed to solve the governing equations as a semi-analytical method. The grid points are chosen based on Chebyshev-Gauss-Lobatto distribution to achieve acceptable convergence and better accuracy. The influence of geometric parameters, variable elastic foundation, and functionally graded variation for clamped and simply supported boundary conditions on the first three natural frequencies are investigated. Comparisons of results with similar studies in the literature have been presented and two-dimensional mode shapes for particular plates have been plotted to illustrate the effect of variable thickness profile.
This paper proposes an efficient approach for the structural topology optimization of bi-directional functionally graded structures by incorporating popular radial basis functions (RBFs) into an implicit level set (ILS) method. Compared to traditional element density-based methods, a level set (LS) description of material boundaries produces a smoother boundary description of the design. The paper develops RBF implicit modeling with multiquadric (MQ) splines, thin-plate spline (TPS), exponential spline (ES), and Gaussians (GS) to define the ILS function with high accuracy and smoothness. The optimization problem is formulated by considering RBF-based nodal densities as design variables and minimizing the compliance objective function. A LS-RBF optimization method is proposed to transform a Hamilton-Jacobi partial differential equation (PDE) into a system of coupled non-linear ordinary differential equations (ODEs) over the entire design domain using a collocation formulation of the method of lines design variables. The paper presents detailed mathematical expressions for BiDFG beams topology optimization with two different material models: continuum functionally graded (CFG) and mechanical functionally graded (MFG). Several numerical examples are presented to verify the method's efficiency, reliability, and success in accuracy, convergence speed, and insensitivity to initial designs in the topology optimization of two-dimensional (2D) structures. Overall, the paper presents a novel and efficient approach to topology optimization that can handle bi-directional functionally graded structures with complex geometries.
Mohamed, Salwa;Assie, Amr E.;Mohamed, Nazira;Eltaher, Mohamed A.
Steel and Composite Structures
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v.45
no.3
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pp.305-330
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2022
This article aims to investigate the static deflection and stress analysis of bi-directional functionally graded porous plate (BDFGPP) modeled by unified higher order kinematic theories to include the shear stress effects, which not be considered before. Different shear functions are described according to higher order models that satisfy the zero-shear influence at the top and bottom surfaces, and hence refrain from the need of shear correction factor. The material properties are graded through two spatial directions (i.e., thickness and length directions) according to the power law distribution. The porosities and voids inside the material constituent are described by different cosine functions. Hamilton's principle is implemented to derive the governing equilibrium equation of bi-directional FG porous plate structures. An efficient numerical differential integral quadrature method (DIQM) is exploited to solve the coupled variable coefficients partial differential equations of equilibrium. Problem validation and verification have been proven with previous prestigious work. Numerical results are illustrated to present the significant impacts of kinematic shear relations, gradation indices through thickness and length, porosity type, and boundary conditions on the static deflection and stress distribution of BDFGP plate. The proposed model is efficient in design and analysis of many applications used in nuclear, mechanical, aerospace, naval, dental, and medical fields.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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