The creep and consolidation behaviors of clays subjected to thermal cycles are of fundamental importance in the application of energy geostructures. This study aims to numerically investigate the physical mechanisms for the temperature-triggered volume change of saturated clays. A recently developed thermodynamic framework is used to derive the thermo-mechanical constitutive model for clays. Based on the model, a fully coupled thermo-hydro-mechanical (THM) finite element (FE) code is developed. Comparison with experimental observations shows that the proposed FE code can well reproduce the irreversible thermal contraction of normally consolidated and lightly overconsolidated clays, as well as the thermal expansion of heavily overconsolidated clays under drained heating. Simulations reveal that excess pore pressure may accumulate in clay samples under triaxial drained conditions due to low permeability and high heating rate, resulting in thermally induced primary consolidation. Results show that four major mechanisms contribute to the thermal volume change of clays: (i) the principle of thermal expansion, (ii) the decrease of effective stress due to the accumulation of excess pore pressure, (iii) the thermal creep, and (iv) the thermally induced primary consolidation. The former two mechanisms mainly contribute to the thermal expansion of heavily overconsolidated clays, whereas the latter two contribute to the noticeable thermal contraction of normally consolidated and lightly overconsolidated clays. Consideration of the four physical mechanisms is important for the settlement prediction of energy geostructures, especially in soft soils.
An integrated material removal model considering thermal, chemical and contact mechanical effects in CMP process is proposed. These effects are highly coupled together in the current modeling effort. The contact mechanics is employed in the model incorporated with the heat transfer and chemical reaction mechanisms. The mechanical abrasion actions happening due to the mechanical contacts between the wafer and abrasive particles in the slurry and between the wafer and pad asperities cause friction and consequently generate heats, which mainly acts as the heat source accelerating chemical reaction(s) between the wafer and slurry chemical(s). The proposed model may be a help in understanding multi-physical interactions in CMP process occurring among the wafer, pad and various consumables such as slurry.
This paper investigates the effect of dual-phase-lags on a thermoviscoelastic orthotropic solid with a cylindrical cavity. The cylindrical cavity is subjected to a thermal shock varying heat and its material is taken to be of Kelvin-Voigt type. The phase-lag thermoelastic model, Lord and Shulman's model and the coupled thermoelasticity model are employed to study the thermomechanical coupling, thermal and mechanical relaxation (viscous) effects. Numerical solutions for temperature, displacement and thermal stresses are obtained by using the method of Laplace transforms. Numerical results are plotted to illustrate the effect phase-lags, viscoelasticity, and the variability thermal conductivity parameter on the studied fields. The variations of all field quantities in the context of dual-phase-lags and coupled thermoelasticity models follow similar trends while the Lord and Shulman's model may be different. The influence of viscosity parameter and variability of thermal conductivity is very pronounced on temperature and thermal stresses of the thermoviscoelastic solids.
The coupled turbulent flow and solidification is considered in a typical slab continuous easting process using commercial program FIDAP. Standard $k-{\varepsilon}$ turbulence model is modified to decay turbulent viscosity in the mushy zone and laminar viscosity is set to a sufficiently large value at the solid region. This coupled turbulent flow and solidification model also contains thermal contact resistance due to the mold powder and air gap between the strand and mold using an effective thermal conductivity. From the computed flow pattern, the trajectory of inclusion particles was calculated. The comparison between the predicted and experimental solidified shell thickness shows a good agreement.
In this paper, Finite Element Analysis (FEA) for gear heat treatment using simultaneous dual frequency (SDF) induction heating is conducted. To do this, thermal-electromagnetic coupled FE model is built. A two dimensional FE model of gear and heater is introduced to reduce computation time. For more time-efficient analysis, harmonic analysis for electromagnetic model is adopted and transient analysis model, for heat transfer model. Through the coupled analysis, it can be found that the proposed FE model can solve for SDF induction heating of gear and heat treatment parameters can also be determined.
Coupled thermo-hydraulic-mechanical (THM) processes are essential for the long-term performance of deep geological disposal of high-level radioactive waste. In this study, a numerical sensitivity analysis was performed to analyze the effect of rock properties on THM responses after the execution of the heater test at the Kamaishi mine in Japan. The TOUGH-FLAC simulator was applied for the numerical simulation assuming a continuum model for coupled THM analysis. The rock properties included in the sensitivity study were the Young's modulus, permeability, thermal conductivity, and thermal expansion coefficients of crystalline rock, rock salt, and clay. The responses, i.e., temperature, water content, displacement, and stress, were measured at monitoring points in the buffer and near-field rock mass during the simulations. The thermal conductivity had an overarching impact on THM responses. The influence of Young's modulus was evident in the mechanical behavior, whereas that of permeability was noticed through the change in the temperature and water content. The difference in the THM responses of the three rock type models implies the importance of the appropriate characterization of rock mass properties with regard to the performance assessment of the deep geological disposal of high-level radioactive waste.
The solid-state core of a heat pipe cooled reactor operates at high temperatures over 1000 K with thermal and irradiation-induced expansion during burnup. The expansion changes the gap thickness between the solid components and the material properties, and may even cause the gap closure, which then significantly influences the thermal and mechanical characteristics of the reactor core. This study developed an irradiation behavior model for HPRTRAN, a heat pipe reactor system analysis code, to introduce the irradiation effects such as swelling and creep. The megawatt heat pipe reactor MegaPower was chosen as an application case. The coupled irradiation-thermal-mechanical model was developed to simulate the irradiation effects on the heat transfer and stresses of the whole reactor core. The results show that the irradiation deformation effect is significant, with the irradiation-induced strains up to 2.82% for fuel and 0.30% for monolith at the end of the reactor lifetime. The peak temperatures during the lifetime are 1027:3 K for the fuel and 956:2 K for monolith. The gap closure enhances the heat transfer but caused high stresses exceeding the yield strength in the monolith.
Obaidurrahman, K.;Doshi, J.B.;Jain, R.P.;Jagannathan, V.
Nuclear Engineering and Technology
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제42권3호
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pp.259-270
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2010
New generation nuclear reactors are designed using advanced safety analysis methods. A thorough understanding of different interacting physical phenomena is necessary to avoid underestimation and overestimation of consequences of off-normal transients in the reactor safety analysis results. This feature requires a multiphysics reactor simulation model. In this context, a coupled dynamics model based on a multiphysics formulation is developed indigenously for the transient analysis of large pressurized VVER reactors. Major simplifications are employed in the model by making several assumptions based on the physics of individual phenomenon. Space and time grids are optimized to minimize the computational bulk. The capability of the model is demonstrated by solving a series of international (AER) benchmark problems for VVER reactors. The developed model was used to analyze a number of reactivity transients that are likely to occur in VVER reactors.
International efforts have focused recently on the development of tungsten surfaces that can intercept energetic ionized and neutral atoms, and heat fluxes in the divertor region of magnetic fusion confinement devices. The combination of transient heating and local swelling due to implanted helium and hydrogen atoms has been experimentally shown to lead to severe surface and sub-surface damage. We present here a computational model to determine the relationship between the thermo-mechanical loading conditions, and the onset of damage and failure of tungsten surfaces. The model is based on thermo-elasticity, coupled with a grain boundary damage mode that includes contact cohesive elements for grain boundary sliding and fracture. This mechanics model is also coupled with a transient heat conduction model for temperature distributions following rapid thermal pulses. Results of the computational model are compared to experiments on tungsten bombarded with energetic helium and deuterium particle fluxes.
현재까지 개발된 고준위폐기물 심지층처분장의 열-수리-역학적 복합거동 해석을 위한 전산 코드의 현황을 조사하고, 문헌에 보고된 각 코드에 의한 계산치와 현장실험 측정치의 비교 결과를 이용하여, 기존 전산 코드들의 신뢰도를 분석하였다. 개발된 전산코드들은 완충재가 없는 처분장에서는 붕괴열에 따른 암반의 열-수리-역학적 거동을 비교적 잘 모사하였으나, 포화 경암층에 위치한 완충재가 존재하는 처분장의 공학적방벽시스템 내에서 일어나는 열-수리-역학적 복합거동의 예측은 만족스럽지 못하였다. 현재 제안된 열-수리-역학적 복합거동 해석모델을 고준위폐기물 처분장 공학적방벽시스템의 거동 해석에 적용하기 위해서는 완충재 내의 수분함량 및 전 압력 분포를 보다 정교하게 모사할 수 있도록 수학적 모델의 개선이 필요하다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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