Seismic response of two dimensional liquid tanks is numerically simulated using fully nonlinear velocity potential theory. Galerkin-weighted-residual based finite element method is used for solving the governing Laplace equation with fully nonlinear free surface boundary conditions and also for velocity recovery. Based on mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) method, fourth order explicit Runge-Kutta scheme is used for time integration of free surface boundary conditions. A cubic-spline fitted regridding technique is used at every time step to eliminate possible numerical instabilities on account of Lagrangian node induced mesh distortion. An artificial surface damping term is used which mimics the viscosity induced damping and brings in numerical stability. Four earthquake motions have been suitably selected to study the effect of frequency content on the dynamic response of tank-liquid system. The nonlinear seismic response vis-a-vis linear response of rectangular liquid tank has been studied. The impulsive and convective components of hydrodynamic forces, e.g., base shear, overturning base moment and pressure distribution on tank-wall are quantified. It is observed that the convective response of tank-liquid system is very much sensitive to the frequency content of the ground motion. Such sensitivity is more pronounced in shallow tanks.
A Photochemical-Trajectory model was used to understand the production of ozone in the atmospheric boundary layer. This model was composed of the trajectory and the photochemical models. To calculate trajectories of air parcels, winds were obtained from the three-dimensional nonhydrostatic mesoscale model (PSU/NCAR MM5V2), and the results were interpolated into constant height surfaces. Numerical integration in the trajectory model was performed by the Runge-Kutta method. The photochemical model consisted of chemical reactions and photodissociation processes. Chemical equations were integrated by the semi-implicit Bulirsch-Stoer method. We performed our experiments from 21 July to 23 July 1994 during the summer time for Seoul area. During the time of maximum ozone concentration in Seoul, four trajectories of air parcels which traveled from Inchon to Seoul were selected. Ozone concentrations estimated by two models are compared with observed one in Seoul area and the photochemical-trajectory model is better fitted than pure photochemical model. During the selected period, high ozone concentrations in Seoul area were more influenced by transferred pollutants from Inchon than emitted pollutants in Seoul.
The present study addresses a computational result of unsteady gas flow through a critical nozzle. The axisymmetric, unsteady, compressible, Wavier-Stokes equations are solved using a finite volume method that makes use of the second order upwind scheme for spatial derivatives and the multi-stage Runge-Kutta integral scheme for time derivatives. The steady solutions of the governing equation system are validated with the previous experimental data to ensure that the present computational method is valid to predict the critical nozzle flows. In order to simulate the effects of back pressure fluctuations on the critical nozzle flows, an excited pressure oscillation with an amplitude and frequency is assumed downstream of the exit of the critical nozzle. The results obtained show that for low Reynolds numbers, the unsteady effects of the pressure fluctuations can propagate upstream of the throat of critical nozzle, and thus giving rise to the applicable fluctuations in mass flow rate through the critical nozzle, while for high Reynolds numbers, the pressure signals occurring at the exit of the critical nozzle do not propagate upstream beyond the nozzle throat. For very low Reynolds number, it is found that the sonic line near the throat of the critical nozzle remarkably fluctuateswith time, providing an important mechanism for pressure signals to propagate upstream of the nozzle throat, even in choked flow conditions. The present study is the first investigation to clarify the unsteady effects on the critical nozzle flows.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.11a
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pp.840-846
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2007
This paper investigates the dynamic behavior of a HDD spindle system due to the imperfect roundness of a rotating shaft. The shaft of a spindle motor rotates with eccentricity by the unbalanced mass of the rotating part. The eccentricity generates the run-out of a spindle motor which results in the eccentric motion of a rotating part. Roundness of a shaft affects this motion which limits the memory capacity of a HDD. This research proposes a modified Reynolds equation for the coupled journal and thrust FDBs to include the variable film thickness due to the roundness. Finite element method is used to solve the Reynolds equation for the pressure distribution. Reaction forces and friction torque are obtained by integrating the pressure and shear stress, respectively. The dynamic behavior is determined by solving the equations of a motion of a HDD spindle system in six degrees of freedom with the Runge-Kutta method to characterize the motion of a rotating part. This research shows that the roundness of a rotating shaft causes the excitation frequency with integer multiple of a rotating frequency.
In this study, the wave profiles and kinematics of highly nonlinear waves at various water depths were calculated using a 2D fully nonlinear Numerical Wave Tank (NWT). The NWT was developed based on the Boundary Element Method (BEM) with the potential theory and the mixed Eulerian-Lagrangian (MEL) time marching scheme by 4th-order Runge-Kutta time integration. The spatial variation of intermediate-depth waves along the direction of wave propagation was caused by the unintended generation of 2nd-order free waves, which were originally investigated both theoretically and experimentally by Goda (1998). These free waves were induced by the mismatch between the linear motion of wave maker and nonlinear displacement of water particles adjacent to the maker. When the 2nd-order wave maker motion was applied, the spatial modulation of the waves caused by the free waves was not observed. The respective magnitudes of the nonlinear wave components for various water depths were compared. It was found that the high-order wave components greatly increase as the water depth decreases. The wave kinematics at various locations were calculated and compared with the linear and the Stokes 2nd-order theories.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.852-858
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2007
This paper investigates the dynamic characteristics of a tilted HDD spindle system with fluid dynamic bearings (FDBs). Tilting motion of a HDD spindle system may be caused by improper manufacturing tolerance, such as imperfect cylindricity between shaft and sleeve of FDBs, imperfect perpendicularity between shaft and thrust as well as the gyroscopic moment of the unbalanced mass of the rotating part. Tilting motion may result in the instability of the HDD spindle system and it may increase the disk run-out to limit memory capacity. This research proposes a modified Reynolds equation for the coupled journal and thrust FDBs to include the variable film thickness due to the cylindricity and the perpendicularity. Finite element method is used to solve the Reynolds equation for the pressure distribution. Reaction forces and friction torque are obtained by integrating the pressure and shear stress, respectively. The dynamic behavior is determined by solving the equations of a motion of a HDD spindle system in six degrees of freedom with the Runge-Kutta method to study whirling and tilting motions. This research shows that the cylindricity and the perpendicularity increase the tilting angle and whirl radius of the rotor.
Proceedings of the Korean Society of Tribologists and Lubrication Engineers Conference
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2004.11a
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pp.99-107
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2004
Lubrication characteristics between a cylinder block and a valve plate for high speed bent-axis type hydraulic pump play an important role in volumetric efficiency and durability of pump. In this paper, a finite element method is presented for the computation of the pressure distribution between a cylinder block and a valve plate for high speed bent-axis type hydraulic pump. Also, a Runge-Kutta method is applied to simulate the cylinder block dynamics of three-degrees of freedom motion. From the results of computation, we can draw two major conclusions. One is related to the fluid film characteristics between a cylinder block and a valve plate and the other is related to the average leakage that is determined by the pressure gradient and the clearance near the discharge port. The numerical results of cylinder block dynamics were compared with the experimental results using eddy-current type gap sensors those are fixed at a pump housing.
This paper aims to study the large deflections of variable-arc-length elastica subjected to the terminal forces (e.g., axial force and torque). Based on Kirchhoff's rod theory and with help of Euler parameters, the set of nonlinear governing differential equations which free from the effect of singularity are established together with boundary conditions. The system of nonlinear differential equations is solved by using the shooting method with high accuracy integrator, seventh-eighth order Runge-Kutta with adaptive step-size scheme. The error norm of end conditions is minimized within the prescribed tolerance ($10^{-5}$). The behavior of VAL elastica is studied by two processes. One is obtained by applying slackening first. After that keeping the slackening as a constant and then the twist angle is varied in subsequent order. The other process is performed by reversing the sequence of loading in the first process. The results are interpreted by observing the load-deflection diagram and the stability properties are predicted via fold rule. From the results, there are many interesting aspects such as snap-through phenomenon, secondary bifurcation point, loop formation, equilibrium configurations and effect of variable-arc-length to behavior of elastica.
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.
The Nonlinear dynamic response of a sandwich plate subjected to the low velocity impact is theoretically and experimentally investigated. The Hertz law between the impactor and the plate is taken into account. Using the Extended High Order Sandwich Panel Theory (EHSAPT) and the Ritz energy method, the governing equations are derived. The skins follow the Third order shear deformation theory (TSDT) that has hitherto not reported in conventional EHSAPT. Besides, the three dimensional elasticity is used for the core. The nonlinear Von Karman relations for strains of skins and the core are adopted. Time domain solution of such equations is extracted by means of the well-known fourth-order Runge-Kutta method. The effects of core-to-skin thickness ratio, initial velocity of the impactor, the impactor mass and position of the impactor are studied in detail. It is found that these parameters play significant role in the impact force and dynamic response of the sandwich plate. Finally, some low velocity impact tests have been carried out by Drop Hammer Testing Machine. The results are compared with experimental data acquired by impact testing on sandwich plates as well as the results of finite element simulation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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