This paper presents a fully three-dimensional numerical approach for analyzing deepwater drilling riser-conductor system vortex-induced vibrations (VIV) including nonlinear soil-structure interactions (SSI). The drilling riser-conductor system is modeled as a tensioned beam with linearly distributed tension and is solved by a fully implicit discretization scheme. The fluid field around the riser-conductor system is obtained by Finite-Analytic Navier-Stokes (FANS) code, which numerically solves the unsteady Navier-Stokes equations. The SSI is considered by modeling the lateral soil resistance force according to nonlinear p-y curves. Overset grid method is adopted to mesh the fluid domain. A partitioned fluid-structure interaction (FSI) method is achieved by communication between the fluid solver and riser motion solver. A riser-conductor system VIV simulation without SSI is firstly presented and served as a benchmark case for the subsequent simulations. Two SSI models based on a nonlinear p-y curve are then applied to the VIV simulations. Also, the effects of two key soil properties on the VIV simulations of riser-conductor systems are studied.
REX-10 is a fully-passive small modular reactor in which the coolant flow is driven by natural circulation, the RCS is pressurized by a steam-gas pressurizer, and the decay heat is removed by the PRHRS. To confirm design decisions and analyze the transient responses of an integral PWR such as REX-10, a thermal-hydraulic system code named TAPINS (Thermal-hydraulic Analysis Program for INtegral reactor System) is developed in this study. Based on a one-dimensional four-equation drift-flux model, TAPINS incorporates mathematical models for the core, the helical-coil steam generator, and the steam-gas pressurizer. The system of difference equations derived from the semi-implicit finite-difference scheme is numerically solved by the Newton Block Gauss Seidel (NBGS) method. TAPINS is characterized by applicability to transients with non-equilibrium effects, better prediction of the transient behavior of a pressurizer containing non-condensable gas, and code assessment by using the experimental data from the autonomous integral effect tests in the RTF (REX-10 Test Facility). Details on the hydrodynamic models as well as a part of validation results that reveal the features of TAPINS are presented in this paper.
Water flow into unsaturated soils is most often modeled by Richards equation consisting of the mass conservation law and Darcy's law. Three standard forms of Richards equation are presented as the head (${\Psi}$)-based form, the moisture content (${\theta}$) based form, and the mixed form. Numerical solutions of these partial differential equations with highly nonlinear terms can cause poor results along with significant mass balance errors. The numerical solution based on the mixed form of Richards equation is known that the mass is perfectly conserved without any additional computational efforts. The aim of this study is to develop fully implicit numerical scheme of Richards equation for one-dimensional vertical unsaturated flow in homogeneous soils using the finite difference approximation, and then to perform sensitivity analysis of infiltration to the variations in the unsaturated soil properties and to different soil types.
Ha, Jeong Ho;Das, Rajarshi;Ladeinde, Foluso;Kim, Tae Ho;Kim, Heuy Dong
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.21
no.6
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pp.21-31
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2017
In the present study, theoretical and numerical analyses have been carried out to investigate the detailed flow characteristics during the mode transition. The theoretical analysis rearranged the knowledge of gasdynamics and the previous studies, and the numerical analysis has conducted to solve the 2D unsteady compressible Navier-Stokes equations with a fully implicit finite volume scheme. To validate the numerical analysis, the experiment was compared with it. The total temperature at the inlet of isolator and the hydrogen fuel equivalent ratio were changed to investigate their effects on the mode transition phenomenon. As the results, the numerical analysis reproduced well the experiment qualitatively, the increment in the hydrogen fuel equivalent ratio induced the scram-mode to ram-mode transition which is discontinuous with a non-allowable region, and the variation in the total temperature changed the boundary of the mode transition.
Numerical algorithms for solving the incompressible Navier-Stokes equations using P2P1 finite element are compared regarding the eigenvalues of matrices. P2P1 element allocates pressure at vertex nodes and velocity at both vertex and mid nodes. Therefore, compared to the P1P1 element, the number of pressure variables in the P2P1 element decreases to 1/4 in the case of two-dimensional problems and to 1/8 in the three-dimensional problems. Fully-implicit-integrated, semi-implicit- integrated and semi-segregated finite element formulations using P2P1 element are compared in terms of elapsed time, accuracy and eigenvlue distribution (condition number). For the comparison,they have been applied to the well-known benchmark problems. That is, the two-dimensional unsteady flows around a fixed circular cylinder and decaying vortex flow are adopted to check spatial accuracy.
The issue of quench is related to safety operation of large-scale superconducting magnet system fabricated by cable-in-conduit conductor. A numerical method is presented to simulate the thermal hydraulic quench characteristics in the superconducting Tokamak magnet system, One-dimensional fluid dynamic equations for supercritical helium and the equation of heat conduction for the conduit are used to describe the thermal hydraulic characteristics in the cable-in-conduit conductor. The high heat transfer approximation between supercritical helium and superconducting strands is taken into account due to strong heating induced flow of supercritical helium. The fully implicit time integration of upwind scheme for finite volume method is utilized to discretize the equations on the staggered mesh. The scheme of a new adaptive mesh is proposed for the moving boundary problem and the time term is discretized by the-implicit scheme. It remarkably reduces the CPU time by local linearization of coefficient and the compressible storage of the large sparse matrix of discretized equations. The discretized equations are solved by the IMSL. The numerical implement is discussed in detail. The validation of this method is demonstrated by comparison of the numerical results with those of the SARUMAN and the QUENCHER and experimental measurements.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.05a
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pp.315-319
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2009
Investigation of the lateral force fluctuations in an axisymmetric overexpanded compressed truncated perfect (CTP) nozzle for the shutdown transient is presented. These nozzles experience side-loads during start-up and shut-down operations, because of the flow separation at nozzle walls. Two types of flow separations such as free shock separation (FSS) and restricted shock separation (RSS) shock structure occur. A two-dimensional unsteady numerical simulation has been carried out over an axisymmetric CTP nozzle to simulate the lateral force fluctuations in nozzle during shutdown process. Reynolds Averaged Navier-Stokes equations are numerically solved using a fully implicit finite volume scheme. Governing equations are solved by coupled implicit scheme. Two equation k-$\omega$ SST turbulence model is selected. Unsteady pressure is measured at four locations along the nozzle wall. Present pressure variation compared well with the experimental data. During shutdown transient, separation pattern varies from FSS to RSS and finally returns to FSS. Several pressure peaks are observed during the RSS separation pattern. These pressure peaks generate lateral force or side loads in rocket nozzle.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.11
no.2
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pp.639-647
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2019
A realistic numerical simulation technology using a Lagrangian Fluid-Structure Interaction (FSI) model was combined with a fracture algorithm to predict the fluid-ice-structure interaction. The failure of ice was modeled as the tensile fracture of elastic material by applying a novel FSI model based on the Moving Particle Semi-implicit (MPS) method. To verify the developed fracture algorithm, a series of numerical simulations for 3-point bending tests with an ice beam were performed and compared with the experiments carried out in an ice room. For application of the developed FSI model, a dropping water droplet hitting a cantilever ice beam was simulated with and without the fracture algorithm. The simulation showed that the effects of fracture which can occur in the process of a FSI simulation can be studied.
KIM, JEONGHO;JUNG, JINWOOK;PARK, YESOM;MIN, CHOHONG;LEE, BYUNGJOON
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.23
no.2
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pp.93-114
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2019
In this article, we introduce a finite difference method for solving the Navier-Stokes equations in rectangular domains. The method is proved to be energy stable and shown to be second-order accurate in several benchmark problems. Due to the guaranteed stability and the second order accuracy, the method can be a reliable tool in real-time simulations and physics-based animations with very dynamic fluid motion. We first discuss a simple convection equation, on which many standard explicit methods fail to be energy stable. Our method is an implicit Runge-Kutta method that preserves the energy for inviscid fluid and does not increase the energy for viscous fluid. Integration-by-parts in space is essential to achieve the energy stability, and we could achieve the integration-by-parts in discrete level by using the Marker-And-Cell configuration and central finite differences. The method, which is implicit and second-order accurate, extends our previous method [1] that was explicit and first-order accurate. It satisfies the energy stability and assumes rectangular domains. We acknowledge that the assumption on domains is restrictive, but the method is one of the few methods that are fully stable and second-order accurate.
Bubble columns are widely encountered in several industries, especially in the field of nuclear safety. The Eulerian-Eulerian and the Eulerian-Lagrangian methods are commonly used to investigate bubble columns. Eulerian approaches require additional tasks such as strict volume conservation at the interface and a predefined well-structured grid. In contrast, the Lagrangian approach can be easily implemented. Hence, we introduce a fully Lagrangian approach for the simulation of bubble columns using the discrete bubble model (DBM) and moving particle semi-implicit (MPS) methods. Additionally, we propose a rigorous method to estimate the volume fraction accurately, and verified it through experimental data and analytical results. The MPS method was compared with the experimental data of Dambreak. The DBM was verified by analyzing the terminal velocity of a single bubble for each bubble size. It agreed with the analytical results for each of the four drag correlations. Additionally, the improved method for calculating the volume fraction showed agreement with the Ergun equation for the pressure drop in a packed bed. The implemented MPS-DBM was used to simulate the bubble column, and the results were compared with the experimental results. We demonstrated that the MPS-DBM was in quantitative agreement with the experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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