The present work is an attempt to develop a simple and accurate finite element formulation for the assessment of thermal shock/thermally induced vibrations in pretwisted and tapered functionally graded material thin (FGM) blades obtained from Voigt and local representative volume elements (LRVE) homogenization models, based on neutral surface approach. The neutral surface of the FGM blade does not coincide with its mid-surface. A finite element model (FEM) is developed using first-order shear deformation theory (FSDT) and the FGM turbine blade is modelled according to the shallow shell theory. The top and the bottom layers of the FGM blade are made of pure ceramic and pure metal, respectively and temperature-dependent material properties are functionally graded in the thickness direction, the position of the neutral surface also depends on the temperature. The material properties are estimated according to two different homogenization models viz., Voigt or LRVE. The top layer of the FGM blade is subjected to high temperature and the bottom surface is either thermally insulated or kept at room temperature. The solution of the nonlinear profile of the temperature in the thickness direction is obtained from the Fourier law of heat conduction in the unsteady state. The results obtained from the present FEM are compared with the benchmark examples. Next, the effect of angle of twist, intensity of thermal shock, variable chord and span and volume fraction index on the transient response due to thermal shock obtained from the two homogenization models viz., Voigt and LRVE scheme is investigated. It is shown that there can be a significant difference in the transient response calculated by the two homogenization models for a particular set of material and geometric parameters.
The separation of benzene-cyclohexane mixture using (O/W)/O emulsion liquid membrane was studied. The operating parameters which can affect the selectivity, benzene yield, and emulsion size distribution were examined and determined by the batch type operation. The unsteady state and steady state extraction behavior in continuous pulse stirred reactor(CPSR) were verified. The optimum conditions for benzene selectivity and yield in batch operation were as follows; emulsion mixing intensity 4000 rpm, Tween 80 concentration 0.4%, volume ratio of membrane phase to internal phase 0.75, volume ratio of dispersed phase to continuous phase 0.5, and permeation time 10 minutes, As impeller speed increased and the microdrop holdup decreased, the Sauter mean diameter decreased. Turbulence damping parameter of modified Calabrease correlation considering microdrop holdup was 2.28. The optimum conditions of continuous operation were as follows; agitation speed 300 rpm, pulse frequence 2 times/sec, flow rate of continuous phase 30ml/min, and flow rate of emulsion phase 12.0ml/min.
Water is removed from crude oil containing water by using oil separator. This study aims to develop a three-dimensional (3D) Eulerian computational fluid dynamics (CFD) model to predict the separation efficiency of air-water-oil separator. In the incompressible, isothermal and unsteady-state CFD model, air is defined as continuous phase, and water and oil are given as dispersed phase. The momentum equation includes the drag force, lift force and resistance force of porous media. The standard k-${\varepsilon}$ model is used for turbulence flow. The exit pressures of water and oil play an important role in determining the liquid level of the oil separator. The exit pressures were identified to be 6.3 kPa and 5.1 kPa for water and oil, respectively, to keep a liquid level of 25 cm at a normal operating condition. The time evolution of volume fractions of air, water and oil was investigated. The settling velocities of water and oil along the longitudinal separator distance were analyzed, when the oil separator reached a steady-state. The oil separation efficiency obtained from the CFD model was 99.85%, which agreed well with experimental data. The relatively simple CFD model can be used for the modification of oil separator structure and finding optimal operating conditions.
Kim Jaeheon;Cheong Cheolung;Kim SungTae;Lee Soogab
Proceedings of the Acoustical Society of Korea Conference
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spring
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pp.469-474
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2002
In recent years, modularization of engine parts has increased the application of plastic products in air intake systems. Plastic intake manifolds provide many advantages including reduced weight, contracted cost, and lower intake air temperatures. These manifolds, however, have some weakness when compared with customary aluminium intake manifolds, in that they have low sound transmission loss because of their lower material density. This low transmission loss of plastic intake manifolds causes several problems related to flow noise, especially when the throttle is opened quickly. The physical processes, responsible for this flow noise, include turbulent fluid motion and relative motion of the throttle to the airflow. The former is generated by high-speed airflow in the splits between the throttle valve and the inner-surface of the throttle body and surge-tank, which can be categorized into the quadrupole source. The latter induces the unsteady force on the flow, which can be classified into the dipole source. In this paper, the mechanism of noise generation from the turbulence is only investigated as a preliminary study. Stochastic noise source synthesis method is adopted for the analysis of turbulence-induced, i.e. quadrupole noise by throttle at quick opening state. The method consists of three procedures. The first step corresponds to the preliminary time-averaged Navier-Stokes computation with a $k-\varepsilon$ turbulence model providing mean flow field characteristics. The second step is the synthesis of time-dependent turbulent velocity field associated with quadrupole noise sources. The final step is devoted to the determination of acoustic source terms associated with turbulent velocity. For the first step, we used market available analysis tools such as STAR-CD, the trade names of fluid analysis tools available on the market. The steady state flows at three open angle of throttle valve, i.e. 20, 35 and 60 degree, are numerically analyzed. Then, time-dependent turbulent velocity fields are produced by using the stochastic model and the flow analysis results. Using this turbulent velocity field, the turbulence-originated noise sources, i.e. the self-noise and shear-noise sources are synthesized. Based on these numerical results, it is found that the origin of the turbulent flow and noise might be attributed to the process of formulation and the interaction of two vortex lines formed in the downstream of the throttle valve. These vortex lines are produced by the non-uniform splits between the throttle valve and inner cylinder surface. Based on the analysis, we present the low-noise design of the inner geometry of throttle body.
In this work dynamic heat transfer in a CPFS (cable penetration fire stop) system built in the firewall of nuclear power plants is three-dimensionally investigated to develop a test-simulator that can be used to verify effectiveness of the sealant. Dynamic heat transfer in the fire stop system is formulated in a parabolic PDE (partial differential equation) subjected to a set of initial and boundary conditions. First, the PDE model is divided into two parts; one corresponding to heat transfer in the axial direction and the other corresponding to heat transfer on the vertical planes. The first PDE is converted to a series of ODEs (ordinary differential equations) at finite discrete axial points for applying the numerical method of SOR (successive over-relaxation) to the problem. The ODEs are solved by using an ODE solver In such manner, the axial heat flux can be calculated at least at the finite discrete points. After that, all the planes are separated into finite elements, where the time and spatial functions are assumed to be of orthogonal collocation state at each element. The initial condition of each finite element can be obtained from the above solution. The heat fluxes on the vertical planes are calculated by the Galerkin FEM (finite element method). The CPFS system was modeled, simulated, and analyzed here. The simulation results were illustrated in three-dimensional graphics. Through simulation, it was shown clearly that the temperature distribution was influenced very much by the number, position, and temperature of the cable stream, and that dynamic heat transfer through the cable stream was one of the most dominant factors, and that the feature of heat conduction could be understood as an unsteady-state process.
At the initial stage of the underground reservoir design one should thoroughly consider surface and subsurface hydrology, hydrogeologic characteristics of aquifer system, and the function of cut - off wall because it is linked to the effective management. In this study, three dimensional finite difference model was applied to analyse the function of Ian underground reservoir at Kyungbuk Province. The steady and unsteady state conditions after construction of the underground dam were simulated through the model, and from these results the groundwater budget and the safe yield were determined. The model simulation indicates the infiltration of irrigation water to be one of the major factors of seasonal fluctuation of groundwater level. The recharge rates of irrigation water were estimated as 4.3mm/d during May and June, and 1.7mm/d during July and Agust. Groundwater recharge from the watershed area estimated to about $0.04m^3/s$, almost consistent through the year. In 1984, groundwater discharge through the transverse section of the dam was $0.002m^3/s$ and the optimum yield for two momths(July and Aguest)was $254000m^3$, however, the discharge became $0.013m^3/s$ in1993, implying the failure of cut -off function. without appropaiate of the cut - off wall, optiumum yield during the irrigaton period would be $93, 000m^3$.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.3
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pp.655-668
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1994
Conventional deodorization filters using soil and compost reach the capacity limitation of deodorization in short period, because its removal mechanism primarily depends on adsorption. Therefore, in this study the experiment was performed on the removal of ammonia which is a strong inorganic malodor, frequently emitted from night soil treatment plants and sewage treatment plants, by seeding activated sludges on the bio-peat containing higher organic contents, water conservation capacity, permeability and lower pressure drop. As a result, in raw peat filter natural ammonia outlet was observed in consequence of pH increase resulted from ammonia ionizing in liquid phase. Ammonia removal mechanism primarily depended on the adsorption onto the anion colloidal substances in peat. In peat bio-filter, theoretical ammonium salts ratio was higher than that of raw peat, resulted from slight pH increase by microorganism activity, however, the experimetal value of ammonia-nitrogen accumulated in bio-peat was lower than that of raw peat because of nitrification by nitrifying bacteria. In the initial reaction period, adsorption was predominant in the ammonia removal mechanism, but nitrification was conspicuous after the middle period. Mass balance of nitrogen was established using experimental data of input $NH_3$ loading, output $NH_3$ loading, $NH_4{^+}$-N, $NO_x$-N, and Org-N. The critical time of unsteady state, which is the maximum activating point of microorganism in bio-filter, was determined using experimental data, and the ammonia adsorption curve was computed using regression analysis. On the basis of the results obtained by above analysis, the delay days for the saturation of adsoption capacity in peat bio-filter was calculated.
Kim, Dong-Ha;Chang, Jo-Won;Kim, Hak-Bong;Jeon, Chang-Soo
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.36
no.2
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pp.137-145
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2008
An experimental study was performed in order to investigate the influence of Reynolds number on the drag coefficient variations of an oscillating airfoil. A NACA 0012 airfoil was sinusoidally pitched at the quarter chord point with an oscillating amplitude of ${\pm}6^{\circ}$. The free-stream velocities were 1.98, 2.83 and 4.03 m/s and the corresponding chord Reynolds numbers were $2.3{\times}10^4$, $3.3{\times}10^4$ and $4.8{\times}10^4$, respectively. The drag coefficient was calculated from the ensemble average velocity measured by an X-type hot-wire probe(X-type, 55R51) in the near-wakes region. In the case of Re=$2.3{\times}10^4$, variation of drag coefficient shows a negative damping (counter-clockwise variation), which implies an unstable state which could be excited by aerodynamic force, whereas the drag coefficient represents the positive damping (clockwise variation) as the Reynolds number increases from Re=$3.3{\times}10^4$ to $4.8{\times}10^4$. Hence, the drag coefficient variations show significant differences between Re=$2.3{\times}10^4$ and $4.8{\times}10^4$이다.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.37
no.3
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pp.575-583
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2017
Various types of flow patterns around the stepped weir and spillway, such as the skimming flow over such structures and the wave-type flow with a standing undular hydraulic jump and roller downstream of the structures, are developed in open channels. Unsteady three-dimensional numerical simulations are carried out using a hybrid RANS-LES turbulence modeling approach and the volume of fluid method for resolving free surface fluctuations to represent the turbulent flow including the skimming flow and wave-type flow over a stepped weir installed in a rectangular channel. The comparison of numerical results with an existing experimental measurement reveals that the present numerical simulations reasonably well reproduce the turbulent flow passing the stepped weir, in terms of time-averaged velocity profiles at selected locations downstream of the weir, flow topology characterized by the wave-type and skimming flows, the maximum height and length of the standing wave and the length of reattachment of recirculating zone. The numerical result further elucidates the distinct flow behaviors of the wave-type and skimming flow by presenting instantaneous intense variations of free surface and velocity vectors, the distributions of Reynolds shear stress and turbulent kinetic energy and three-dimensional complex features of coherent structures and total pressure distribution.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.19
no.2
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pp.90-96
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2018
Tracer experiments were carried out on two laboratory modes, "without media mode" and "with media mode", to examine the hydraulic characteristics of the anaerobic fluidized bed bioreactor (AFBR). For both configurations, a formula was derived for the hydraulics and data interpretation to obtain the actual characteristics of the reactor. The dispersion model is based on the assumption that carriers are non-reacting and the dispersion coefficient is constant. The model represents the one-dimensional unsteady-state concentration distribution of the non-reacting tracer in the reactors. The experimental results showed that the media increased the mixing conditions in the reactor considerably. For the reactor without media, in the range tested, the dispersion coefficient was at least an order of magnitude smaller than that of the reactor with media. Advective transport dominates and the flow pattern approaches the plug flow reactor (PFR) regime. The dispersion coefficient increased significantly as us, the superficial liquid velocity, was increased proportionally to 0.82cm/s. On the other hand, for the reactor with media, the flow pattern was in between a PFR and a completely mixed flow reactor (CMFR) regime, and the dispersion coefficient was saturated at us=0.41cm/s, remaining relatively constant, even at us=0.82cm/s. The dispersion coefficient depends strongly on the liquid Reynolds number (Re) or the particle Reynolds number (Rep) over the range tested.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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