Shifa Wu;Zehua Li;Pengfei Wang;G.H. Su;Jiashuang Wan
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.2
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pp.460-474
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2023
A simple but accurate mathematical model is crucial for dynamic simulations and controller design of helical coil once-through steam generator (OTSG). This paper presents a three-region movable boundary dynamic model of the helical coil OTSG. Based on the secondary side fluid conditions, the OTSG is divided into subcooled region (two control volumes), two-phase region (two control volumes) and superheated region (three control volumes) with movable boiling boundaries between each region. The nonlinear dynamic model is derived based on mass, energy and momentum conservation equations. And the linear model is obtained by using the transfer function and state space transformation, which is a 37-order model of five input and three output. Validations are made under full-power steady-state condition and four transient conditions. Results show good agreements among the nonlinear model, linear model and the RELAP5 model, with acceptable errors. This model can be applied to dynamic simulations and controller design of helical coil OTSG with constant primary-side flow rate.
In this research, the study of the thermoelastic flexural analysis of silicon carbide/Aluminum graded (FG) sandwich 2D uniform structure (plate) under harmonic sinusoidal temperature load over time is presented. The plate is modeled using a simple two dimensional integral shear deformation plate theory. The current formulation contains an integral terms whose aim is to reduce a number of variables compared to others similar solutions and therefore minimize the computation time. The transverse shear stresses vary according to parabolic distribution and vanish at the free surfaces of the structure without any use of correction factors. The external load is applied on the upper face and varying in the thickness of the plates. The structure is supposed to be composed of "three layers" and resting on nonlinear visco-Pasternak's-foundations. The governing equations of the system are deduced and solved via Hamilton's principle and general solution. The computed results are compared with those existing in the literature to validate the current formulation. The impacts of the parameters (material index, temperature exponent, geometry ratio, time, top/bottom temperature ratio, elastic foundation type, and damping coefficient) on the dynamic flexural response are studied.
Recently, a lot of research has been done on the analysis of axial vibrations of homogeneous and FG nanotubes (nanorods) with various aspects of vibrations that have been fully mentioned in history. However, there is a lack of investigation of the dynamic internal resonances of FG nanotubes (nanorods) between them. This is one of the essential or substantial characteristics of nonlinear vibration systems that have many applications in various fields of engineering (making actuators, sensors, etc.) and medicine (improving the course of diseases such as cancers, etc.). For this reason, in this study, for the first time, the dynamic internal resonances of FG nanorods in the simultaneous presence of large-amplitude size dependent behaviour, inertial and shear effects are investigated for general state in detail. Such theoretical patterns permit as to carry out various numerical experiments, which is the key point in the expansion of advanced nano-devices in different sciences. This research presents an AFG novel nano resonator model based on the axial vibration of the elastic nanorod system in terms of derivation from large-amplitude size dependent internal modals interactions. The Hamilton's Principle is applied to achieve the basic equations in movement and boundary conditions, and a harmonic deferential quadrature method, and a multiple scale solution technique are employed to determine a semi-analytical solution. The interest of the current solution is seen in its specific procedure that useful for deriving general relationships of internal resonances of FG nanorods. The numerical results predicted by the presented formulation are compared with results already published in the literature to indicate the precision and efficiency of the used theory and method. The influences of gradient index, aspect ratio of FG nanorod, mode number, nonlinear effects, and nonlocal effects variations on the mechanical behavior of FG nanorods are examined and discussed in detail. Also, the inertial and shear traces on the formations of internal resonances of FG nanorods are studied, simultaneously. The obtained valid results of this research can be useful and practical as input data of experimental works and construction of devices related to axial vibrations of FG nanorods.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.5
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pp.1055-1067
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1994
This paper is presented to perform linear dynamic analysis of bridges due to vehicle moving on bridges. The road surface roughness and bridge/vehicle interaction are also considered. The bridge and vehicle are modeled as 3-D bridge and vehicle model, respectively. The road surface roughness of the roadway and bridge decks are generated from power spectral density(PSD) function for good road. The PSD function proposed by C.J. Dodds and J.D. Robson is used to describe the road surface roughness for good road condition. The vehicles are modeled as two nonlinear vehicle model with 7-D.O.F of truck and 12-D.O.F of tractor-trailer and the equations of motion of the vehicles are derived using Lagrange's equation. The main girder and concrete deck are modeled as beam and shell element, respectively and rigid link is used between main girder and concrete deck. The equations of motion of the vehicles are solved by Newmark ${\beta}$ method and the equations of the motion of the bridges are solved by mode-superposition procedures. The validity of the proposed procedure is demonstrated by comparing the results with the experimental data reported by the AASHO Road Test. The comparison shows that the agreement between experiment and theory is quite satisfactory.
The purpose of this study is to evaluate the structural performance of DH beams. DH beam construction method uses thin steel plates as form-works and structural elements. The prefabricated plates and rebars of DH beams were transported to a construction site and erected for casting concrete at the site. In this study, the contribution of steel plates to the flexural strength was evaluated since the plates were expected to play a role as reinforcements. Five test specimens were made for experimental and analytical studies. They consisted of two DH beams for the positive moment test and two DH beams for the negative moment test and a RC beam for the comparison purpose. Test results on DH beams were compared with design equations and the RC beam test result. It was proven that DH beams demonstrated the good flexural behavior showing sufficient strengths and deformation capacities. Flexural strengths, principal strains of concrete, and rebar stresses were evaluated through nonlinear finite element analyses for two test beams. The analyses also showed that steel plates can contribute to the enhancement of flexural strength of DH beams. Based on experimental and analytical studies, it was concluded that steel plates of DH beams can be used as good flexural reinforcements.
Using a strain-controlled rheometer, the dynamic viscoelastic properties of aqueous xanthan gum solutions with different concentrations were measured over a wide range of strain amplitudes and then the linear viscoelastic behavior in small amplitude oscillatory shear flow fields was investigated over a broad range of angular frequencies. In this article, both the strain amplitude and concentration dependencies of dynamic viscoelastic behavior were reported at full length from the experimental data obtained from strain-sweep tests. In addition, the linear viscoelastic behavior was explained in detail and the effects of angular frequency and concentration on this behavior were discussed using the well-known power-law type equations. Finally, a fractional derivative model originally developed by Ma and Barbosa-Canovas (1996) was employed to make a quantitative description of a linear viscoelastic behavior and then the applicability of this model was examined with a brief comment on its limitations. Main findings obtained from this study can be summarized as follows: (1) At strain amplitude range larger than 10%, the storage modulus shows a nonlinear strain-thinning behavior, indicating a decrease in storage modulus as an increase in strain amplitude. (2) At strain amplitude range larger than 80%, the loss modulus exhibits an exceptional nonlinear strain-overshoot behavior, indicating that the loss modulus is first increased up to a certain strain amplitude(${\gamma}_0{\approx}150%$) beyond which followed by a decrease in loss modulus with an increase in strain amplitude. (3) At sufficiently large strain amplitude range (${\gamma}_0>200%$), a viscous behavior becomes superior to an elastic behavior. (4) An ability to flow without fracture at large strain amplitudes is one of the most important differences between typical strong gel systems and concentrated xanthan gum solutions. (5) The linear viscoelastic behavior of concentrated xanthan gum solutions is dominated by an elastic nature rather than a viscous nature and a gel-like structure is present in these systems. (6) As the polymer concentration is increased, xanthan gum solutions become more elastic and can be characterized by a slower relaxation mechanism. (7) Concentrated xanthan gum solutions do not form a chemically cross-linked stable (strong) gel but exhibit a weak gel-like behavior. (8) A fractional derivative model may be an attractive means for predicting a linear viscoelastic behavior of concentrated xanthan gum solutions but classified as a semi-empirical relationship because there exists no real physical meaning for the model parameters.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.23
no.6
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pp.429-441
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2011
In the southeast coastal zone of Yellow Sea, the tide characteristics showing ebb-dominant tide and tidal flow were confirmed by analysis of observed tide and tidal currents. Physical factors generating asymmetric tide were reviewed. Influence of bottom shear stress, tidal flat, and nonlinear terms in shallow water equations was investigated by two-dimensional tide modeling. The model results gave good agreements with observed tides, but the amplitude of simulated $M_4$ tide was less than that of observed tide. The tidal flats existing in the study area widely have great effect on the generation of nonlinear tide. The M4 tide is mainly generated near the tidal flats. The deletion of tidal flats prevents the production of the M4 tide. We can conclude that the wide tidal flats is a primary cause of tide asymmetry in the study area.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.10
no.4
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pp.204-210
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1998
This paper presents the development of the probability density function applicable for wave heights (peak-to-trough excursions) in finite water depth including shallow water depth. The probability distribution applicable to wave heights of a non-Gaussian random process is derived based on the concept of the maximum entropy method. When wave heights are limited by breaking wave heights (or water depth) and only first and second moments of wave heights are given, the probability density function developed is closed form and expressed in terms of wave parameters such as $H_m$(mean wave height), $H_{rms}$(root-mean-square wave height), $H_b$(breaking wave height). When higher than third moment of wave heights are given, it is necessary to solve the system of nonlinear integral equations numerically using Newton-Raphson method to obtain the parameters of probability density function which is maximizing the entropy function. The probability density function thusly derived agrees very well with the histogram of wave heights in finite water depth obtained during storm. The probability density function of wave heights developed using maximum entropy method appears to be useful in estimating extreme values and statistical properties of wave heights for the design of coastal structures.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.28
no.1
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pp.38-52
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1991
In this paper, a semi-Lagrangian method is used to solve the nonlinear hydrodynamics of a three-dimensional body beneath the free surface in the time domain. The boundary value problem is solved by using the boundary integral method. The geometries of the body and the free surface are represented by the curved panels. The surfaces are discretized into the small surface elements using a bi-cubic B-spline algorithm. The boundary values of $\phi$ and $\frac{\partial{\phi}}{\partial{n}}$ are assumed to be bilinear on the subdivided surface. The singular part proportional to $\frac{1}{R}$ are subtracted off and are integrated analytically in the calculation of the induced potential by singularities. The far field flow away from the body is represented by a dipole at the origin of the coordinate system. The Runge-Kutta 4-th order algorithm is employed in the time stepping scheme. The three-dimensional form of the integral equation and the boundary conditions for the time derivative of the potential Is derived. By using these formulas, the free surface shape and the equations of motion are calculated simultaneously. The free surface shape and fille forces acting on a body oscillating sinusoidally with large amplitude are calculated and compared with published results. Nonlinear effects on a body near the free surface are investigated.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.17
no.2
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pp.119-129
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2004
A three dimensional (3D) method of analysis is presented for determining the free vibration frequencies and mode shapes of thick, circular and annular plates with nonlinear thickness variation along the radial direction. Unlike conventional plate theories, which are mathematically two dimensional (2D), the present method is based upon the 3D dynamic equations of elasticity. Displacement components u/sub s/, u/sub z/, and u/sub θ/ in the radial, thickness, and circumferential directions, respectively, are taken to be sinusoidal in time, periodic in θ, and algebraic polynomials in the s and z directions. Potential (strain) and kinetic energies of the plates are formulated, and the Ritz method is used to solve the eigenvalue problem thus yielding upper bound values of the frequencies by minimizing the frequencies. As the degree of the polynomials is increased, frequencies converge to the exact values. Convergence to four digit exactitude is demonstrated for the first five frequencies of the plates. Numerical results we presented for completely free, annular and circular plates with uniform linear, and quadratic variations in thickness. Comparisons are also made between results obtained from the present 3D and previously published thin plate (2D) data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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