Flow through a scaled horizontal axis marine current turbine was numerically simulated after validation and the turbine design was optimized. The computational fluid dynamics (CFD) code Ansys-CFX 16.1 for numerical modeling, an in-house blade element momentum (BEM) code for analytical modeling and an in-house surrogate-based optimization (SBO) code were used to find an optimal turbine design. The blade-pitch angle (${\theta}$) and the number of rotor blades (NR) were taken as design variables. A single objective optimization approach was utilized in the present work. The defined objective function was the turbine's power coefficient ($C_P$). A $3{\times}3$ full-factorial sampling technique was used to define the sample space. This sampling technique gave different turbine designs, which were further evaluated for the objective function by solving the Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations (RANS). Finally, the SBO technique with search algorithm produced an optimal design. It is found that the optimal design has improved the objective function by 26.5%. This article presents the solution approach, analysis of the turbine flow field and the predictability of various surrogate based techniques.
In this study, an empirical relationship between the energy band gap of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and synthesis parameters in a chemical vapor deposition (CVD) reactor using factorial design of experiment was established. A bimetallic (Fe-Ni) catalyst supported on $CaCO_3$ was synthesized via wet impregnation technique and used for MWCNT growth. The effects of synthesis parameters such as temperature, time, acetylene flow rate, and argon carrier gas flow rate on the MWCNTs energy gap, yield, and aspect ratio were investigated. The as-prepared supported bimetallic catalyst and the MWCNTs were characterized for their morphologies, microstructures, elemental composition, thermal profiles and surface areas by high-resolution scanning electron microscope, high resolution transmission electron microscope, energy dispersive X-ray spectroscopy, thermal gravimetry analysis and Brunauer-Emmett-Teller. A regression model was developed to establish the relationship between band gap energy, MWCNTs yield and aspect ratio. The results revealed that the optimum conditions to obtain high yield and quality MWCNTs of 159.9% were: temperature ($700^{\circ}C$), time (55 min), argon flow rate ($230.37mL\;min^{-1}$) and acetylene flow rate ($150mL\;min^{-1}$) respectively. The developed regression models demonstrated that the estimated values for the three response variables; energy gap, yield and aspect ratio, were 0.246 eV, 557.64 and 0.82. The regression models showed that the energy band gap, yield, and aspect ratio of the MWCNTs were largely influenced by the synthesis parameters and can be controlled in a CVD reactor.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.10
no.2
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pp.67-78
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1990
An inverse self-iterative procedure is developed to determine layer moduli which are significant for the structural evaluation of pavements in developing rational and analytical rehabilitation technique. Falling weight deflectometer(FWD) is adopted as a non-destructive testing(NDT)device. The layer elastic theory is used to interpret NDT data. The theoretical deflection basins of pavement structures obtained by full factorial design are used for a parametric study on the characteristics of deflection basins and regression analyses. Regression equations to estimate layer moduli of flexible pavements are proposed through the regression analyses of theoretical deflection basins. The relationships between the rate of change of moduli and deflections are developed for the efficient iteration. An inverse self-iterative procedure to ensure the accuracy of the layer moduli is proposed. Validity and applicability of the developed procedure are verified through various numerical model tests.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.28
no.4
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pp.482-489
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2011
In practical design process, designer needs to find an optimal solution by using full factorial discrete combination, rather than by using optimization algorithm considering continuous design variables. So, ANOVA(Analysis of Variance) based on an orthogonal array, i.e. Taguchi method, has been widely used in most parts of industry area. However, the Taguchi method is limited for the shape optimization by using CAE, because the multi-level and multi-objective optimization can't be carried out simultaneously. In this study, a combined method was proposed taking into account of multi-level computational orthogonal array and TOPSIS(Technique for Order preference by Similarity to Ideal Solution), which is known as a classical method of multiple attribute decision making and enables to solve various decision making or selection problems in an aspect of multi-objective optimization. The proposed method was applied to a case study of the multi-level shape optimization of lower arm used to automobile parts, and the design space was explored via an efficient application of the related CAE tools. The multi-level shape optimization was performed sequentially by applying both of the neural network model generated from seven-level four-factor computational orthogonal array and the TOPSIS. The weight and maximum stress of the lower arm, as the objective functions for the multi-level shape optimization, showed an improvement of 0.07% and 17.89%, respectively. In addition, the number of CAE carried out for the shape optimization was only 55 times in comparison to full factorial method necessary to 2,401 times.
This study using experimental design and linear regression technique was implemented in order to predict the pitting potential of stainless steel in marine environments, with the target materials being AL-6XN and STS 316L. The various variables (inputs) which affect stainless steel's pitting potential included the pitting resistance equivalent number (PRNE), temperature, pH, Cl- concentration, sulfate levels, and nitrate levels. Among them, significant factors affecting pitting potential were chosen through an experimental design method (screening design, full factor design, analysis of variance). The potentiodynamic polarization test was performed based on the experimental design, including significant factor levels. From these testing methods, a total 32 polarization curves were obtained, which were used as training data for the linear regression model. As a result of the model's validation, it showed an acceptable prediction performance, which was statistically significant within the 95% confidence level. The linear regression model based on the full factorial design and ANOVA also showed a high confidence level in the prediction of pitting potential. This study confirmed the possibility to predict the pitting potential of stainless steel according to various variables used with experimental linear regression design.
The inflence of hydrophilic vehicles on percutaneous absorption rate of griseofulvin was studied using intact skin of full thickness of hairless rat. The in vitro absorption rates were used as the characteristics for deciding the optimum formula of ointment vehicles. The optimum formula of vehicle compositions for maximum absorption rate was obtained from the polynomial regression equation and the two graphical techniques, contour graph and partial derivative graph. It was composed of sodium lauryl sulfate (1.65 W /W%), white petrolatum (16.5 W /W%), propylene glycol (12.0 W /W%), and stearyl alcohol (19.6W /W%). The experimental value obtained from the optimum formula and the prediction value were 33.99 and 33.87 ${\mu}g/\sqrt{min}$, respectively. From these results, it was believed that optimum formula for semisolid dosage forms could be obtained from the application of the optimization technique used in this study.
This work presents microchannel heat sink shape optimization procedure using Kriging method. Design variables relating to microchannel width, depth and fin width are selected, and thermal resistance has been taken as objective function. Design points are selected through a three-level fractional factorial design of sampling method. Navier-Stokes and energy equations for laminar flow and conjugate heat transfer are solved at these design points using a finite volume solver. Solutions are carefully validated with experimental results. Using the numerically evaluated objective function, a surrogate model (Kriging) is constructed and optimum point is searched by sequential quadratic programming. The process of shape optimization greatly improves the thermal performance of microchannel heat sink under constant pumping power.
Proceedings of the Korean Society for Quality Management Conference
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1998.11a
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pp.316-321
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1998
In order to detect causal relationships between latent traits of sensual impressions for a color and physical characteristics constructing it, it is a common practice first to extract latent factors by a factor analysis method and secondly to clarify the causal relationships by a regression analysis method. This paper presents a multivariate statistical technique to detect the influence of the physical characteristics to the latent factors simultaneously which treats the physical characteristics as experimental factors in a $L_{27}$ factorial design and analysis the effects of the factors to the latent trait scores by an ANOVA.
A new technique is presented to construct a predictive model of plasma etch process. This was accomplished by combining a backpropagation neural network (BPNN) and a genetic algorithm (GA). The predictive model constructed in this way is referred to as a GA-BPNN. The GA played a role of controlling training factors simultaneously. The training factors to be optimized are the hidden neuron, training tolerance, initial weight magnitude, and two gradients of bipolar sigmoid and linear functions. Each etch response was optimized separately. The proposed scheme was evaluated with a set of experimental plasma etch data. The etch process was characterized by a $2^3$ full factorial experiment. The etch responses modeled are aluminum (A1) etch rate, silica profile angle, A1 selectivity, and dc bias. Additional test data were prepared to evaluate model appropriateness. The GA-BPNN was compared to a conventional BPNN. Compared to the BPNN, the GA-BPNN demonstrated an improvement of more than 20% for all etch responses. The improvement was significant in the case of A1 etch rate.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.7
s.250
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pp.700-706
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2006
This study presents a numerical procedure to optimize the shape of dimple surface to enhance turbulent heat transfer in a rectangular channel. The response surface based optimization method is used as an optimization technique with Reynolds-averaged Wavier-Stokes analysis of fluid flow and heat transfer with shear stress transport (SST) turbulence model. The dimple depth-to-dimple print diameter ratio, channel height-to-dimple print diameter ratio, and dimple print diameter-to-pitch ratio are chosen as design variables. The objective function is defined as a linear combination of heat transfer related term and friction loss related term with a weighting factor. full factorial method is used to determine the training points as a mean of design of experiment. The optimum shape shows remarkable performance in comparison with a reference shape.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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