Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.23
no.2
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pp.38-45
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2019
The present work suggests a numerical approach using a thermoacoustic network model for the eigenvalue calculation of thermoacoustic instability problems in an aero gas turbine combustor. The model is developed based on the conservation laws for mass, momentum, and energy between acoustic network elements with an area change. Acoustic field in a practical aero gas turbine combustor which has a complicated flow path is analyzed using the current model. The predictive capabilities of the current modeling approach are compared with the acoustic characteristics calculated using Helmholtz solver based on 3D finite element method(FEM).
This paper presents a conceptual design approach of air-cored synchronous machine with high temperature superconductor (HTS) field winding. With a given configuration of a target machine, boundary conditions are set in the cylindrical coordinate system and analytic field calculation is performed by solving a governing equation. To set proper boundary conditions, current distributions of the field winding and the armature winding are expressed by the Fourier expansion. Based on analytic magnetic field calculation results, key machine parameters are calculated: 1) inductance, 2) critical current of field winding, 3) weight, 4) HTS conductor consumption, and 5) efficiency. To investigate all potential design options, 6 sweeping parameters are determined to characterize the geometry of the machine and the parameter calculation process is performed for each design options. Among design options satisfying constraints including >80 % critical current margin and >95 % efficiency, in this paper, a first-cut design was selected in terms of overall machine weight and HTS conductor consumption to obtain a lightweight and economical design. The goal is to design a 5-MW machine by referring to the same capacity machine that was previously constructed by another group. Our design output is compared with finite element method (FEM) simulation to validate our design approach.
Considering the increasing use of tubular profiles in civil construction, this paper highlights the study on the behavior of welded connections between square hollow section column and I-beam, with emphasis on the assessment of the joint stiffness. Firstly, a theoretical analysis of the welded joints has been done focusing on prescriptions of the technical literature for the types of geometries mentioned. Then, a numerical analysis of the proposed joints were performed by the finite element method (FEM) with the software ANSYS 16.0. In this study, two models were evaluated for different parameters, such as the thickness of the cross section of the column and the sizes of cross section of the beams. The first model describes a connection in which one beam is connected to the column in a unique bending plane, while the second model describes a connection of two beams to the column in two bending planes. From the numerical results, the bending moment-rotation ($M-{\varphi}$) curve was plotted in order to determine the resistant bending moment and classify each connection according to its rotational capacity. Furthermore, an equation was established with the aim of estimating the rotational stiffness of welded I beam-to-RHS column connections, which can be used during the structure design. The results show that most of the connections are semi-rigid, highlighting the importance of considering the stiffness of the connections in the structure design.
Kwon, Jin Su;Kim, Doh Hyeon;Shin, Sung Gil;Lee, Jeong Ik;Kim, Sang Ji
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.3
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pp.1085-1097
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2022
A printed circuit steam generator (PCSG) is being considered as the component for pressurized water reactor (PWR) type small modular reactor (SMR) that can further reduce the physical size of the system. Since a steam generator in many PWR-type SMR generates superheated steam, it is expected that dryout front oscillation can potentially cause thermal fatigue failure due to cyclic thermal stresses induced by the transition in boiling regimes between convective evaporation and film boiling. To investigate the fatigue issue of a PCSG, a reference PCSG is designed in this study first using an in-house PCSG design tool. For the stress analysis, a finite element method analysis model is developed to obtain the temperature and stress fields of the designed PCSG. Fatigue estimation is performed based on ASME Boiler and pressure vessel code to identify the major parameters influencing the fatigue life time originating from the dryout front oscillation. As a result of this study, the limit on the temperature difference between the hot side and cold side fluids is obtained. Moreover, it is found that the heat transfer coefficient of convective evaporation and film boiling regimes play an essential role in the fatigue life cycle as well as the temperature difference.
In order to accurately predict the losses in the power cable, analysis of the eddy current losses in the metal sheath is required. The copper loss is easily calculated by the resistance and current of the conductor, but it is difficult to measure and predict the eddy current generated from the metal sheath. For this purpose, the previous study analyzed the eddy current loss in single phase cable, but there is a limit to apply it because three phase cables are used in real environment. Therefore, in this paper, the eddy current loss occurring in the metal sheath of three phase cable according to the cause was analyzed theoretically. In addition, the eddy current loss occurring in the triangular and horizontal array were predicted through electromagnetic numerical analysis.
Based on the random cracking theory, the cylinder RVE model of reinforced concrete is established and the damage process is divided into three stages as the evolution of the cracks. The stress distribution along longitude direction of the concrete and the steel bar in the cylinder model are derived. The equivalent elastic modulus of the RVE are derived and the user-defined field variable subroutine (USDFLD) for the equivalent elastic modulus is well integrated into the ABAQUS. Regarding the tensile rebars and the concrete surrounding the rebars as the equivalent homogeneous transversely isotropic material, and the FEM analysis for the reinforced concrete beams is conducted with the USDFLD subroutine. Considering the concrete cracking and interfacial debonding, the macroscopic damage process of the reinforced concrete beam under four-point bending loading in the simulation. The volume fraction of rebar and the cracking degree are mainly discussed to reveal their influence on the macro-performance and they are calibrated with experimental results. Comparing with the bending experiment performed with 8 reinforced concrete beams, the bending stiffness of the second stage and the ultimate load simulated are in good agreement with the experimental values, which verifies the effectiveness and the accuracy of the improved finite element method for reinforced concrete beam.
This paper studies the dynamic behavior of laminated composite circular cylindrical shells interacting with a fluid. The mathematical formulation of the dynamic problem for an elastic body is developed based on the variational principle of virtual displacements and the relations of linear elasticity theory. The behavior of an ideal compressible fluid is described by the potential theory, the equations of which together with boundary conditions are transformed to a weak form. The hydrodynamic pressure exerted by the fluid on the internal surface of the shell is calculated according to the linearized Bernoulli equation. The numerical implementation of the mathematical formulation has been done using the semi-analytical finite element method. The influence of the ply angle and lay-up configurations of laminated composites on the natural vibration frequencies and the hydroelastic stability boundary have been analyzed for shells with different geometrical dimensions and under different kinematic boundary conditions set at their edges. It has been found that the optimal value of the ply angle depends on the level of filling of the shell with a fluid. The obtained results support the view that by choosing the optimal configuration of the layered composite material it is possible to change upwards or downwards the frequency and mode shape, as well as the critical velocity for stability loss over a wide range.
Kim, Yeong-Sik;Yoon, Yong-Soo;Yang, Seong-Eun;Park, Dong-Keun;Ahn, Min-Cheol;Ko, Tae-Kuk
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.9
no.1
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pp.47-52
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2007
This paper presents characteristics analysis of persistent current switch(PCS) system on a small scale by using YBCO coated conductor(CC). A high temperature superconductor(HTS) PCS system mainly consists of a PCS, a HTS magnet load and a magnet power supply(MPS). To design the optimal heater triggering switch. the three-dimensional heat conduction model was analyzed by finite element method(FEM). The electrical equivalent model considering the n-value of CC was applied to analyze current decay during persistent current mode. In the experiment and simulation, the heater was applied with a current of 0.43A and the current was ramped up to 10A and 20A with 0.2A/s. Finally, experimental results of the HTS PCS system have been compared with the theoretical results. It has been concluded that flux creep can not influence the results because the operating current was 40% of critical current and optimal sequential operation of the PCS system is indispensable to enhance its performance.
Jo, Hyun-Chul;Chang, Ki-Sung;Jang, Jae-Young;Kim, Hyung-Jun;Chung, Yoon-Do;Yoon, Yong-Soo;Ko, Tae-Kuk
Progress in Superconductivity and Cryogenics
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v.12
no.1
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pp.56-60
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2010
Recently, many researches have been carried out for a high temperature superconducting (HTS) magnet which is advantageous in high critical current density and critical temperature. In HTS magnet, however, critical current is decreased by perpendicular magnetic field and persistent current is hard to maintain due to a low index value and high joint resistance compared with low temperature superconducting (LTS) magnet. In this paper, the HTS magnet using BSCCO wire was simulated through finite element method (FEM) and manufactured. we experimentally investigated operating characteristics of the compensating mode of the HTS magnet for current decay and made a comparison between persistent current mode and compensating mode. A feedback control unit was used to sustain current within specified ranges with defined upper and lower limits.
Many superconductor applications such as MRI and SMES must be operated in persistent current mode to eliminate the electrical ohmic loss. This paper presents the characteristic analysis of the high temperature superconducting (HTS) power supply made of YBCO coated conductor (CC). In this research, we have manufactured the HTS power supply to charge the 0.73 mH HTS double-pancake magnet made of YBCO CC. Among the all design parameters, the heater triggerring time and magnet applying time were the most important factors for the best performance of the HTS power supply. In this paper, three-dimensional simulation through finite element method (FEM) was used to study the heat transfer in YBCO CC and the magnetic field of the magnetic circuit. Based upon these results, the final operational sequence could be determined to generate the pumping current. In the experiment, the maximum pumping current reached about 16 A.
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