Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제40권5호
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pp.389-396
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2016
The theory of Fourier heat conduction predicts accurately the temperature profiles of a system in a non-equilibrium steady state. However, in the case of transient states at the nanoscale, its applicability is significantly limited. The limitation of the classical Fourier's theory was overcome by C. Cattaneo and P. Vernotte who developed the theory of non-Fourier heat conduction in 1958. Although this new theory has been used in various thermal science areas, it requires considerable mathematical skills for calculating analytical solutions. The aim of this study was the identification of a newer and a simpler type of solution for the hyperbolic partial differential equations of the non-Fourier heat conduction. This constitutes the first trial in a series of planned studies. By inspecting each term included in the proposed solution, the theoretical feasibility of the solution was achieved. The new analytical solution for the non-Fourier heat conduction is a simple exponential function that is compared to the existing data for justification. Although the proposed solution partially satisfies the Cattaneo-Vernotte equation, it cannot simulate a thermal wave behavior. However, the results of this study indicate that it is possible to obtain the theoretical solution of the Cattaneo-Vernotte equation by improving the form of the proposed solution.
In order to establish a theoretical basis for the analyses of transient behaviors in stratified thermal storage tanks, analytical approaches to an improved one-dimensional model are made. In the present model the storage tank is treated as a finite region with an adiabatic tank exit, whereas it has been considered as a simple semi-infinite region previously. Application of the Laplace transformation and the Inversion theorem to the governing equations makes it possible to obtain an exact infinite-series solution, which is convergent only at sufficiently large time. Accordingly a complementary solution which is available for short times, i.e., the time range of this study is sought by an approximate method. The approximate solution which is rigorously validated through the examination of neglected terms in the solution procedure agrees quite well with the exact one. Moreover, it is simpler to use and more convenient to interpret the physical meaning of the solution. Comparison of the present solution with the previous ones shows relatively large difference near the tank bottom, which results from the more realistic boundary condition adopted in the present model. Some representative results by the approximate solution including effects of the Peclet number on temperature distrbutions are illustrated to show the utility of this study. In consequence, it is expected that the present results based on the improved model replace the foregoing ones as a new theoretical reference for studies of thermal stratification fields.
In this paper we address the issue of how an optimal sample size computation relates the level of precision required for travel demand estimations and transportation planning. We approach the problem by 1) deriving a theoretical solution, 2) developing a computational procedure (algorithm) to implement the theoretical solution, and 3) demonstrating a practical application. Ultimately, we construct a formal scheme of optimal sample size computation for use in travel data collection processe.
본 논문에서는 포화된 다공성매체에서 파동의 전파속도와 감쇠를 구할 수 있는 해석적 이론해를 유도하여 제시하였다. 이론해의 유도를 위하여 압축성의 고체입자와 간극수를 고려하는 완전 연계 Field모델을 사용하였다. 완전 포화된 다공성 매체의 해석을 위한 공학적인 접근방법이 채택되었으며, 균질 영역에서 1차원 파동의 전파를 위한 이론해가 유도되었다. 본 논문에서 유도한 이론해는 고체입자의 압축성, 간극수의 압축성, 다공성입자의 변형, 공간의 감쇠(Spatial damping) 등을 고려할 수 있어 매우 다양하게 사용될 수 있다. 또한 다양한 지반체에서 두 가지 종류의 파속(Wavespeed)과 감쇠계수를 계산하는데 이용 가능하다. 본 논문에서 제시한 이론해를 전산코드화하여 파동의 전파속도와 감쇠에 대한 파라미터연구를 수행한 결과는 본 연구의 II부에 제시할 예정이다.
Nitrate removal from aqueous solution was investigated using $ZnCl_2$ and phosphoric acid activated carbon developed from pomegranate peel with particle size 0.4 mm. Potassium nitrate solution was used in batch adsorption experiments for nitrate removal from water. The effects of activated carbon dosage, time of contact, and pH were studied. The equilibrium time was fond to be 45 min. Two theoretical adsorption isotherms namely Langmuir and Freundlich were used to describe the experimental results. The Langmuir fit the isotherm with the theoretical adsorption capacity ($q_t$) was fond 78.125 mg g-1. Adsorption kinetics data were modeled using the pseudo-first, pseudo-second order, and intraparticle diffusion models. The results indicate that the second-order model best describes adsorption kinetic data. Results show activated carbon produced from pomegranate is effective for removal of nitrate from aqueous solution.
This study aimed to theoretical calculate the thermal residual stress in continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composites. The analytical solution of residual stress field distribution was obtained by using coaxial cylinder model, and the numerical solution was obtained by using finite element model (FEM). Both of the above models were compared and the thermal residual stress was analyzed in the axial, hoop, radial direction. The results indicated that both the two models were feasible to theoretical calculate the thermal residual stress in continuous SiC fiber reinforced titanium matrix composites, because the deviations between the theoretical calculation results and the test results were less than 8%. In the titanium matrix composites, along with the increment of the SiC fiber volume fraction, the longitudinal property was improved, while the equivalent residual stress was not significantly changed, keeping the intensity around 600 MPa. There was a pronounced reduction of the radial residual stress in the titanium matrix composites when there was carbon coating on the surface of the SiC fiber, because carbon coating could effectively reduce the coefficient of thermal expansion mismatch between the fiber and the titanium matrix, meanwhile, the consumption of carbon coating could protect SiC fibers effectively, so as to ensure the high-performance of the composites. The support of design and optimization of composites was provided though theoretical calculation and analysis of residual stress.
In this paper, an analytical solution of large-strain cylindrical cavity expansion in compaction grouting problem under temperature field is given. Considering the stress increment caused by temperature, the analytical solution of cavity expansion under traditional isothermal conditions is improved by substituting the temperature stress increment into the cavity expansion analysis. Subsequently, combined with the first law of thermodynamics, the energy theory is also introduced into the cylindrical cavity expansion analysis, and the energy dissipation solution of cylindrical cavity expansion is derived. Finally, the validity and reliability of solution are proved by comparing the results of expansion pressure with those in published literatures. The results show that the dimensionless expansion pressure increases with the increase of temperature, and the thermal response increases with the increase of dilation angle. The higher the exothermic temperature of grouting slurry, the greater the plastic deformation energy of the surrounding soil, that is, the greater the influence on the surrounding soil deformation and the surrounding environment. The proposed solution not only enrich the theoretical system of cavity expansion, but also can be used as a theoretical tool for energy geotechnical engineering problems, such as CPT, nuclear waste disposal, energy pile and chemical grouting, etc.
Recently Lee et al[5] developed an approximation algorithm for the performance evaluation of the open queueing networks with blocking. This algorithm, which solves the exponential queueing networks with general configuration is developed based on the symmetrical decomposition approach and is reported to have many advantages over the previous algorithmsf. In addition to being very accurate, this algorithm is reported to be quite simple, pretty fast and solves very general configurations. In this study, we show that if a network has a tree-like configurations, the algorithm developed by Lee at al, always converges to the unique solution. To prove the theoretical results pertaining to the algorithm, some properties associated with symmetrical decomposition approach are exploited. The results obtained in this study such as the proofs of convergence of the algorithm as well as uniquences of the solution would contribute to the theoretical study for the non-tandem configurating of open queueing network.
This paper presents the results of an investigation into the isoamperic point of cyclic voltammograms, which is defined as the singular point where the voltammograms of various scan rates converge. The origin of the unique point is first considered from a theoretical perspective by formulating the voltammetric curves as a system of linear equations, the solution of which indicates that a trivial solution is only available at the potential at which the net current is zero during the reverse potential scan. In addition, by way of a mathematical formulation, it was also shown that the isoamperic point is dependent on the switching potential of the potential scanning. To validate these findings, theoretical and practical cyclic voltammmograms were studied using finite-element based digital simulations and 3-electrode cell experiments. The new understanding of the nature of the isoamperic point provides an opportunity to measure the charge transfer effects without the influence of the mass transfer effects when determining the thermodynamic and kinetic characteristics of a faradaic system.
An elastic plate bar jointed to a rigid bar is considered. The bar is subjected to uniform axial tension. A theoretical approximate solution is obtained in an infinite hyperbolic series form and some numerical results for various Poisson's ratios are presented. A rubber plate joined to a strong wooden plate has been tested to obtain an experimental data and the results are compared with theoretical ones. Two values for vertical displacements are in good agreement but it is not satisfactory for horizontal displacements. The conclusion arrived at are as follow : The natures of stress distributions and deformed shapes given by above theoretical solution are compatible in mechanical sense. The magnitudes of stress and displacement components would not be reliable for exact works. A sharp shear stress concentrations are detected at the both ends of the joint.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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