In this paper we describe current activities on the project Multi-Scale Modeling and Analysis of convective boiling (MSMA), conducted jointly by the Paul Scherrer Institute (PSI) and the Swiss Nuclear Utilities (Swissnuclear). The long-term aim of the MSMA project is to formulate improved closure laws for Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations for prediction of convective boiling and eventually of the Critical Heat Flux (CHF). As boiling is controlled by the competition of numerous phenomena at various length and time scales, a multi-scale approach is employed to tackle the problem at different scales. In the MSMA project, the scales on which we focus range from the CFD scale (macro-scale), bubble size scale (meso-scale), liquid micro-layer and triple interline scale (micro-scale), and molecular scale (nano-scale). The current focus of the project is on micro- and meso-scales modeling. The numerical framework comprises a highly efficient, parallel DNS solver, the PSI-BOIL code. The code has incorporated an Immersed Boundary Method (IBM) to tackle complex geometries. For simulation of meso-scales (bubbles), we use the Constrained Interpolation Profile method: Conservative Semi-Lagrangian $2^{nd}$ order (CIP-CSL2). The phase change is described either by applying conventional jump conditions at the interface, or by using the Phase Field (PF) approach. In this work, we present selected results for flows in complex geometry using the IBM, selected bubbly flow simulations using the CIP-CSL2 method and results for phase change using the PF approach. In the subsequent stage of the project, the importance of effects of nano-scale processes on the global boiling heat transfer will be evaluated. To validate the models, more experimental information will be needed in the future, so it is expected that the MSMA project will become the seed for a long-term, combined theoretical and experimental program.
In the present study, a micro holographic PTV (HPTV) system was used to experimentally investigate the structure of 3D flow within a curved micro-tube with varying Dean number. The employed HPTV system incorporated a high-speed digital camera to measure the temporal evolution of the 3D velocity fields of micro-scale fluid flows. With increasing Dean number, flow in the curved tube is transformed from a steady flow to a secondary flow with two counter-rotating vortices. In this study, to analyze the 3D flow characteristics in the curved section of tube at a high Dean number, the trajectories of fluid particles were obtained experimentally using the whole 3D velocity field data obtained by the micro HPTV technique. The mean velocity field distribution was then obtained by ensemble averaging the instantaneous velocity fields. These results would be helpful in the design of various passages within micro-scale devices or micro-chips and in understanding the mixing phenomena that occur in curved conduits along the trajectories of fluid particles.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.20
no.9
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pp.109-117
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2003
With development of high advanced technologies and skills, micro machining techniques also are being more functional and smaller. Some of the recently developed micro machining technologies are micro drilling, micro EDM, WEDG, LBM, micro milling, micro UVM etc. In these micro machining techniques, Micro -EDM is generally used for machining micro holes, pockets, and micro structures in difficult-cut-materials. For machining micro structures, first of all, tool electrode should be fabricated by WEDG process. In micro-EDM, parameters such as peak current, pulse width, duration time are very important to fabricate the tool electrode and micro structures. Developed experimental equipments are composed of RLC circuit with PWM. In this paper, using developed micro EDM machine, the characteristics of micro electro discharge machining are investigated at micro holes, slot, and pocket machining etc. Also the trends of tool wear are investigated in case of hole and slot machining.
Yoon, Eui-Sung;Kim, Hong-Joon;Singh R. Arvind;Kim, Jin-Seok
Tribology and Lubricants
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v.22
no.5
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pp.237-242
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2006
Surfaces found in nature, including biological surfaces have been providing inspiration to modify/fabricate artificial surfaces as solutions for tribological applications. As an example, the concept of 'lotus-effect' has motivated tribologists world wide to modify/fabricate surfaces for enhanced tribological performance. These was done by creating nano/micro-scale asperities on various surfaces using ion beam milling and ion-beam assisted roughening. In order to understand the attributes of natural surfaces, which are inspirational to tribologists, we characterized the surface of two natural surfaces-Nelumbo nucifera (lotus) and Colocasia esculenta leaves. Further, we evaluated their micro-scale friction property, both in their fresh and dried conditions. The characterization of surfaces was conducted using a confocal microscope and SEM, which involved the evaluation of size and distribution of protuberances. The micro-scale friction property was evaluated using a ball-on-flat type micro-tribo tester, under reciprocating motion. A soda lime glass ball (2 mm diameter) was used in these tests. Tests were conducted at the applied normal load of $3000{\mu}N$, at a sliding speed of 1 mm/sec for a scan length of 3 mm. All experiments were conducted at ambient temperature ($24{\pm}1^{\circ}C}$) and relative humidity ($45{\pm}5%$). It was observed that the friction behaviour of the natural surfaces was influenced by their surface characteristics (morphology and distribution of protuberances) and also by the condition (fresh or dried) in which they were tested.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.531-534
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2006
A multi-scale (macro-micro) finite element framework for analysis of polycrystalline solids is suggested. The proposed frame work is strongly-coupled in a sense that the two scale calculation is performed at the same time. The issue of averaging micro-scale material stress and stiffness is addressed and a strategy is proposed. The proposed framework is implemented and applied to two examples having different geometries and loading modes. It is concluded that the proposed multi-scale framework can be used for more detailed and accurate analysis compared with the single-scale finite element analysis.
Kim, Jae-Gun;Ko, Tae-Jo;Kim, Hee-Sul;Chung, Byoung-Muk
Proceedings of the KSME Conference
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2003.11a
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pp.1793-1797
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2003
After the micro turning lathe was developed in the last year by AMR Laboratory in Yeungnam university, a micromilling machine is developed for micro/meso machining. This machine is integrated with PZT-driven micro-sliders, micro-linear encoders, aerostatic spindle which has maximum 150,000 rpm. It is applicable to milling and drilling of micro scale. This paper presents the possibility of micro/meso machining and characteristics of micro end milling process by using micro machine. A machining of micro parts using 0.2 mm flat end mill was achieved by micro-milling machine. Experimental results show the machining capability and positional accuracy of this machine is good enough for machining micro parts.
A new digitized decoupled dual-axis micro dynamically tuned gyroscope with three equilibrium rings (TMDTG) is proposed which can eliminate the constant torque disturbance (CTD) caused by the double rotation frequency of a driving shaft with a micro dynamically tuned gyroscope with one equilibrium ring (MDTG). A mechanical and kinematic model of the TMDTG is theoretically analyzed and the structure parameters are optimized in ANSYS to demonstrate reliability. By adjusting the thickness of each equilibrium ring, the CTD can be eliminated. The digitized model of the TMDTG system is then simulated and examined using MATLAB. Finally, a digitized prototype based on FPGA is created. The gyroscope can be dynamically tuned by adjusting feedback voltage. Experimental results show the TMDTG has good performance with a scale factor of $283LSB/^{\circ}/s$ in X-axis and $220LSB/^{\circ}/s$ in Y-axis, respectively. The scale factor non-linearity is 0.09% in X-axis and 0.13% in Y-axis. Results from analytical models, simulations, and experiments demonstrate the feasibility of the proposed TMDTG.
In this study, the vibration of an electrostatically actuated micro cantilever beam is analyzed in which a viscoelastic layer covers a portion of the micro beam length. This proposed model is considered as the main element of mass and pollutant micro sensors. The nonlinear motion equation is extracted by means of Hamilton principle, considering nonlinear shortening effect for Euler-Bernoulli beam. The non-linear effects of electrostatic excitation, geometry and inertia have been taken into account. The viscoelastic model is assumed as Kelvin-Voigt model. The motion equation is discretized by Galerkin approach. The linear free vibration mode shapes of non-uniform micro beam i.e. the linear mode shape of the system by considering the geometric and inertia effects of viscoelastic layer, have been employed as comparison function in the process of the motion equation discretization. The discretized equation of motion is solved by the use of multiple scale method of perturbation theory and the results are compared with the results of numerical Runge-Kutta approach. The frequency response variations for different lengths and thicknesses of the viscoelastic layer have been founded. The results indicate that if a constant volume of viscoelastic layer is to be deposited on the micro beam for mass or gas sensor applications, then a modified configuration may be found by using the analysis of this paper.
Yoon Eui-Sung;Oh Hyun-Jin;Han Hung-Gu;Kong Hosung;Jhang Kyung Young
Tribology and Lubricants
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v.20
no.2
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pp.51-57
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2004
Micro/nano adhesion and friction properties of mixed self-assembled monolayer (SAM) with different chain length for MEMS application were experimentally studied. Many kinds of SAM having different spacer chains(C6, C10 and C18) and their mixtures (1:1) were deposited onto Si-wafer, where the deposited SAM resulted in the hydrophobic nature. The adhesion and friction properties between tip and SAM surfaces under nano scale applied load were measured using an atomic force microscope (AFM) and under micro scale applied load were measured using ball-on-flat type micro-tribotester. Surface roughness and water contact angles were measured with SPM (scanning probe microscope) and contact anglemeter. Results showed that water contact angles of mixed SAMs were similar to those of pure SAMs. The morphology of coating surface was roughened as mixing of SAM. Nano adhesion and nano friction decreased as increasing of the spacer chain length and mixing of SAM. Micro friction was decreased as increasing of the spacer chain length, but micro friction of mixed SAM showed the value between pure SAMs. Nano adhesion and friction mechanism of mixed SAM was proposed in a view of stiffness of spacer chain modified chemically and topographically.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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