This work is concerned with a geometric inverse problem in fluid mechanics. The aim is to reconstruct an unknown obstacle immersed in a Newtonian and incompressible fluid flow from internal data. We assume that the fluid motion is governed by the Stokes-Brinkmann equations in the two dimensional case. We propose a simple and efficient reconstruction method based on the topological sensitivity concept. The geometric inverse problem is reformulated as a topology optimization one minimizing a least-square functional. The existence and stability of the optimization problem solution are discussed. A topological sensitivity analysis is derived with the help of a straightforward approach based on a penalization technique without using the classical truncation method. The theoretical results are exploited for building a non-iterative reconstruction algorithm. The unknown obstacle is reconstructed using a levelset curve of the topological gradient. The accuracy and the robustness of the proposed method are justified by some numerical examples.
Huang, Shuling;Pei, Qitao;Ding, Xiuli;Zhang, Yuting;Liu, Dengxue;He, Jun;Bian, Kang
Geomechanics and Engineering
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v.23
no.2
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pp.151-163
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2020
Grouting method is an effective way of reinforcing cracked rock masses and plugging water gushing. Current grouting diffusion models are generally developed for horizontal cracks, which is contradictory to the fact that the crack generally occurs in rock masses with irregular spatial distribution characteristics in real underground environments. To solve this problem, this study selected a cement-sodium silicate slurry (C-S slurry) generally used in engineering as a fast-curing grouting material and regarded the C-S slurry as a Bingham fluid with time-varying viscosity for analysis. Based on the theory of fluid mechanics, and by simultaneously considering the deadweight of slurry and characteristics of non-uniform spatial distribution of viscosity of fast-curing grouts, a theoretical model of slurry diffusion in an oblique crack in rock masses at constant grouting rate was established. Moreover, the viscosity and pressure distribution equations in the slurry diffusion zone were deduced, thus quantifying the relationship between grouting pressure, grouting time, and slurry diffusion distance. On this basis, by using a 3-d finite element program in multi-field coupled software Comsol, the numerical simulation results were compared with theoretical calculation values, further verifying the effectiveness of the theoretical model. In addition, through the analysis of two engineering case studies, the theoretical calculations and measured slurry diffusion radius were compared, to evaluate the application effects of the model in engineering practice. Finally, by using the established theoretical model, the influence of cracking in rock masses on the diffusion characteristics of slurry was analysed. The results demonstrate that the inclination angle of the crack in rock masses and azimuth angle of slurry diffusion affect slurry diffusion characteristics. More attention should be paid to the actual grouting process. The results can provide references for determining grouting parameters of fast-curing grouts in engineering practice.
Dang, Van-Hieu;Sedighi, Hamid M.;Chan, Do Quang;Civalek, Omer;Abouelregal, Ahmed E.
Structural Engineering and Mechanics
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v.78
no.1
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pp.103-116
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2021
In this work, a model of a functionally graded (FG) nanotube conveying fluid embedded in an elastic medium is developed based on the nonlocal strain gradient theory (NSGT) in conjunction with Euler-Bernoulli beam theory (EBT). The main objective of this research is to investigate the nonlinear vibration and stability analysis of fluid-conveying nanotubes. The governing equations of motion are derived by means of Hamiltonian principle. The analytical expressions of nonlinear frequencies and critical flow velocities for two different types of boundary conditions including pinned-pinned (P-P) and clamped-clamped (C-C) conditions are obtained by employing Galerkin method as well as Hamiltonian Approach (HA). Comparison of the obtained results with the published works show the acceptable accuracy of the current solutions. The effects of the power-law index, the nonlocal and material length scale parameters and the elastic medium on the stability and nonlinear responses of FG nanotubes are thoroughly investigated and discussed.
First, methods of numerical analysis of gas-particle flows is classified into micro, meso and macro scale approaches based on the concept of multi-scale mechanics. Next, the explanation moves on to discrete particle simulation where motion of individual particles is calculated numerically using the Newtonian equations of motion. The author focuses on the cases where particle-to-particle interaction has significant effects on the phenomena. Concerning the particle-to-particle interaction, two cases are considered: the one is collision-dominated flows and the other is the contact-dominated flows. To treat this interaction mathematically, techniques named DEM(Distinct Element Method) or DSMC (Direct Simulation Monte Carlo) have been developed DEM, which has been developed in the field of soil mechanics, is useful for the contact -dominated flows and DSMC method, developed in molecular gas flows, is for the collision-dominated flows. Combining DEM or DSMC with CFD (computer fluid dynamics), the discrete particle simulation becomes a more practical tool for industrial flows because not only the particle-particle interaction but particle-fluid interaction can be handled. As examples of simulations, various results are shown, such as hopper flows, particle segregation phenomena, particle mixing in a rotating drum, dense phase pneumatic conveying, spouted bed, dense phase fluidized bed, fast circulating fluidized bed and so on.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.8
no.4
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pp.221-229
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2015
For efficient design process of regenerative blower, the present study provides new generalized pressure and leakage flow loss models, which can be used in the performance analysis method of regenerative blower. The present performance analysis on designed blower is made by incorporating momentum exchange theory between impellers and side channel with mean line analysis method, and its pressure loss and leakage flow models are generalized from the related fluid mechanics correlations which can be expressed in terms of blower design variables. The present performance analysis method is applied to four existing models for verifying its prediction accuracy, and the prediction and the test results agreed well within a few percentage of relative error. Furthermore, the present performance analysis method is also applied in developing a new blower used for fuel cell application, and the newly designed blower is manufactured and tested through chamber-type test facility. The performance prediction by the present method agreed well with the test result and also with the CFD simulation results. From the comparison results, the present performance analysis method is shown to be suitable for the actual design practice of regenerative blower.
The possibility of detecting a crack in L-shaped pipes filled with fluid based on measurement of transverse natural frequencies is examined. The problem is solved by representing the crack by a massless rotational spring, simulating the out-of-plane transverse vibration only without solving the coupled torsional vibration and using the transfer matrix method for solution of the governing equation. The theoretical solutions are verified by experiments. The cracks considered are external, circumferentially oriented and have straight front. Pipes made of aluminium and mild steel are tested with water as internal fluid. Crack size to pipe thickness ratio ranging from 0.20 to 0.57 and fluid (gauge) pressure in the range of 0 to 10 atmospheres are examined. The rotational spring stiffness is obtained by an inverse vibration analysis and deflection method. The details of the two methods are given. The results by the two methods are presented graphically and show good agreement. Crack locations are also determined by the inverse analysis. The maximum absolute error in the location is 13.80%. Experimentally determined variation of rotational spring stiffness with ratio of crack size to thickness is utilized to predict the crack sizes. The maximum absolute errors in prediction of crack size are 17.24% and 16.90% for aluminium and mild steel pipes respectively.
Analyzed in this paper is fluid flow in the region near the exhaust and blower ports of the ventilation ducts inside a vehicle tunnel. Theoretical analysis shows that prediction of the energy loss in this region is important for designing the ventilation system. A finite-difference numerical model for the two-dimensional turbulent flow field was used to obtain the flow solution as well as the energy loss. It was shown that the blower-nozzle angle ($\beta$) had an important role in establishing both the pressure gradient and the energy loss, while the effect of the distance between two ports on them was not so significant.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.26
no.12
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pp.123-130
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2009
This study presents the application of a polymer behavior model that considers fluid mechanics and heat transfer effects in a deposition system. The analysis of the polymer fluid properties is very important in the fabrication of precise microstructures. This fluid behavior model involves the calculation of velocity distribution and mass flow rates that include the effect of heat loss in the needle. The effectiveness of the proposed method was demonstrated by comparing estimated mass fluid rates with experimental values. The mass fluid rates under various process conditions, such as pressure, temperature, and needle size, reflected the actual deposition state relatively well, and the assumption that molten polycaprolactone(PCL) is a non-Newtonian fluid was reasonable. The successful fabrication of three-dimensional microstructures demonstrated that the model is valid for predicting the polymer behavior characteristics in the microstructure fabrication process. The results of this study can be used to investigate the effect of various parameters on fabricated structures before turning to experimental approaches.
Radwan, Ahmed Elazab;Elogail, Mostafa Abdelrahman;Elazab, Nasser Elsaid
Kyungpook Mathematical Journal
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v.47
no.4
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pp.455-471
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2007
The magnetohydrodynamic axisymmetric instability of a streaming gas jet surrounded by bounded fluid with non-uniform field has been developed. The problem is formulated, solved and the boundary conditions are applied across the interfaces. The eigenvalue relation is derived and discussed analytically and the results are confirmed numerically. Some reported works are recovered as limiting cases from the present general results. The streaming has a destabilizing effect for all short and long wavelengths. The capillary force is stabilizing for short wavelengths but it is destabilizing for long wavelengths. The axial magnetic fields interior the gas and fluid media are stabilizing. The transverse field is destabilizing for all wavelengths. The radii ratio of the gas and fluid cylinders plays an important role for stabilizing the model and made it more realistic one than the full liquid jet or/and the ordinary hollow jet. The numerical analysis clarify the stable and unstable domains based on different values of the various parameters of the problem.
This paper presents a method of seismic analysis for a cylindrical liquid storage structure considering the effects of the interior fluid and exterior soil medium in the frequency domain. The horizontal and rocking motions of the structure are included in this study. The fluid motion is expressed in terms of analytical velocity potential functions, which can be obtained by solving the boundary value problem including the deformed configuration of the structure as well as the sloshing behavior of the fluid. The effect of the fluid is included in the equation of motion as the impulsive added mass and the frequency-dependent convective added mass along the nodes on the wetted boundary of the structure. The structure and the near-field soil medium are represented using the axisymmetric finite elements, while the far-field soil is modeled using dynamic infinite elements. The present method can be applied to the structure embedded in ground as well as on ground, since it models both the soil medium and the structure directly. For the purpose of verification, earthquake response analyses are performed on several cases of liquid tanks on a rigid ground and on a homogeneous elastic half-space. Comparison of the present results with those by other methods shows good agreement. Finally, an application example of a reinforced concrete tank on a horizontally layered soil with a rigid bedrock is presented to demonstrate the importance of the soil-structure interaction effects in the seismic analysis for large liquid storage tanks.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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