Film boiling may lead to burnout of the heating element. Even though burnout does not occur, the heating element is subject to deformation because it is not sufficiently strong to withstand external loads. In particular, the ballooning and rupture of a tube under film boiling are important phenomena in the field of nuclear reactor safety. If the tube-type cladding of nuclear fuel ruptures owing to high internal pressure and thermal load, radioactive materials inside the cladding are released to the coolant. Therefore, predicting the ballooning and rupture is important. This study presents numerical simulations to predict the ballooning behavior and rupture time of a horizontal tube at high internal pressure under saturated film boiling. To do so, a multi-step coupled simulation of conjugated film boiling heat transfer and ballooning using creep model is adopted. The numerical methods and models are validated against experimental values. Two different nonuniform heat flux distributions and four different internal pressures are considered. The three-step simulation is enough to obtain a convergent result. However, the single-step simulation also successfully predicts the rupture time. This is because the film boiling heat transfer characteristics are slightly affected by the tube geometry related to creep ballooning.
A high-fidelity computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed using the Large Eddy Simulation (LES) model for the lower plenum of the High-Temperature Test Facility (HTTF), a ¼ scale test facility of the modular high temperature gas-cooled reactor (MHTGR) managed by Oregon State University. In most next-generation nuclear reactors, thermal stress due to thermal striping is one of the risks to be curiously considered. This is also true for HTGRs, especially since the exhaust helium gas temperature is high. In order to evaluate these risks and performance, organizations in the United States led by the OECD NEA are conducting a thermal hydraulic code benchmark for HTGR, and the test facility used for this benchmark is HTTF. HTTF can perform experiments in both normal and accident situations and provide high-quality experimental data. However, it is difficult to provide sufficient data for benchmarking through experiments, and there is a problem with the reliability of CFD analysis results based on Reynolds-averaged Navier-Stokes to analyze thermal hydraulic behavior without verification. To solve this problem, high-fidelity 3-D CFD analysis was performed using the LES model for HTTF. It was also verified that the LES model can properly simulate this jet mixing phenomenon via a unit cell test that provides experimental information. As a result of CFD analysis, the lower the dependency of the sub-grid scale model, the closer to the actual analysis result. In the case of unit cell test CFD analysis and HTTF CFD analysis, the volume-averaged sub-grid scale model dependency was calculated to be 13.0% and 9.16%, respectively. As a result of HTTF analysis, quantitative data of the fluid inside the HTTF lower plenum was provided in this paper. As a result of qualitative analysis, the temperature was highest at the center of the lower plenum, while the temperature fluctuation was highest near the edge of the lower plenum wall. The power spectral density of temperature was analyzed via fast Fourier transform (FFT) for specific points on the center and side of the lower plenum. FFT results did not reveal specific frequency-dominant temperature fluctuations in the center part. It was confirmed that the temperature power spectral density (PSD) at the top increased from the center to the wake. The vortex was visualized using the well-known scalar Q-criterion, and as a result, the closer to the outlet duct, the greater the influence of the mainstream, so that the inflow jet vortex was dissipated and mixed at the top of the lower plenum. Additionally, FFT analysis was performed on the support structure near the corner of the lower plenum with large temperature fluctuations, and as a result, it was confirmed that the temperature fluctuation of the flow did not have a significant effect near the corner wall. In addition, the vortices generated from the lower plenum to the outlet duct were identified in this paper. It is considered that the quantitative and qualitative results presented in this paper will serve as reference data for the benchmark.
Seismic isolation systems employ structural control that protect both buildings and vibration-sensitive contents from destructive effects of earthquakes. Structural control is divided into three main groups: passive, active, and semi-active. Among them, semi-active isolation systems, which can reduce floor displacements and accelerations concurrently, has gained importance in recent years since they don't require large power or pose stability problems like active ones. However, their seismic performance may vary depending on the variations that may be observed in the mechanical properties of semi-active devices and/or seismic isolators. Uncertainties relating to isolators can arise from variations in geometry, boundary conditions, material behavior, or temperature, or aging whereas those relating to semi-active control devices can be due to thermal changes, inefficiencies in calibrations, manufacturing errors, etc. For a more realistic evaluation of the seismic behavior of semi-active isolated buildings, such uncertainties must be taken into account. Here, the probabilistic behavior of semi-active isolated buildings under historical pulse-like near-fault earthquakes is evaluated in terms of their performance in preserving structural integrity and protecting vibration-sensitive contents considering aforementioned uncertainties via Monte-Carlo simulations of 3-story and 9-story semi-active isolated benchmark buildings. The results are presented in the form of fragility curves and probability of failure profiles.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.22
no.3_1spc
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pp.504-508
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2013
This paper describes in detail the life prediction models and simulations of thermal fatigue under different mold compounds and chip sizes for wafer-level embedded SiP. Three-dimensional finite element models are built to simulate the viscoplastic behaviors for various mold compounds and chip sizes. In particular, the bonding parts between a mold and silicon nitride (Si3N4) are carefully modeled, and the strain distributions are studied. Three different chip sizes are used, and the effects of the mold compounds are observed. Through the numerical studies, it is found that type-C, which has a relatively lower Young's modulus and higher CTE, has a better fatigue life than the other mold compounds. In addition, the $4{\times}4$ chip has a shorter life than the $6{\times}6$ and $8{\times}8$ chips.
This paper presents a method using artificial neural networks (ANNs) to predict the residual moment capacity of thermally insulated reinforced concrete (RC) beams exposed to fire. The use of heat resistant insulation material protects concrete beams against the harmful effects of fire. If it is desired to calculate the residual moment capacity of the beams in this state, the determination of the moment capacity of thermally insulated beams exposed to fire involves several consecutive calculations, which is significantly easier when ANNs are used. Beam width, beam effective depth, fire duration, concrete compressive and steel tensile strength, steel area, thermal conductivity of insulation material can influence behavior of RC beams exposed to high temperatures. In this study, a finite difference method was used to calculate the temperature distribution in a cross section of the beam, and temperature distribution, reduction mechanical properties of concrete and reinforcing steel and moment capacity were calculated using existing relations in literature. Data was generated for 336 beams with different beam width ($b_w$), beam account height (h), fire duration (t), mechanical properties of concrete ($f_{cd}$) and reinforcing steel ($f_{yd}$), steel area ($A_s$), insulation material thermal conductivity (kinsulation). Five input parameters ($b_w$, h, $f_{cd}$, $f_{yd}$, $A_s$ and $k_{insulation}$) were used in the ANN to estimate the moment capacity ($M_r$). The trained model allowed the investigation of the effects on the moment capacity of the insulation material and the results indicated that the use of insulation materials with the smallest value of the thermal conductivities used in calculations is effective in protecting the RC beam against fire.
Kim Shang-Shu;Kim Byung-Geol;Sin Goo-Yong;Lee Dong-Il;Min Byung-Uk
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.19
no.3
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pp.280-286
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2006
As a way to expand electric capacity in conductor with electric power demand, STACIR/AW (Super Thermal-resistant Aluminum-alloy Conductors Aluminum-clad Invar-Reinforced) conductor which has high electric current and heat resistance characteristics have been developed. STACIR/AW power line is mechanical composite wire composed of steel cores for dip control and aluminum conductors for sending electric current. Recently, to ensure stable operation and prediction of wire life span of STACIR/AW conductor, a heat property of STACIR/AW conductor have been investigated. In the present work, a change of essential property with long term-heat exposure of STACIR/AW conductor and its structure material, INVAR wire and Al conductor, have been investigated. INVAR/AW is approximately $3.2\;{\mu}m/m^{\circ}C$. thermal expansion coefficient of INVAR/AW wire increases with time of heat exposure. the thermal expansion coefficient of INVAR/AW is markedly influenced by heat and mechanical treatment. creep rate(0.242) of STACIR/AW $410\;mm^2$ conductor at room temperature is much higher than that(0.022) at $210\;^{\circ}C$ STACIR/AW $410\;mm^2$ conductor has minimum creep rate at operating temperature. To lower creep rate with increase temperature is more unique characteristics in STACIR/AW. It is expected that STACIR/AW turned its tension to INVAR/AW at the transition temperature. at room temperature, the tension apportionment of INVAR/AW in STACIR/AW is about $50\;\%$. but whole tension of STACIR/AW is placed on the INVAR/AW alone of core metal above transition temperature.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.1
s.173
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pp.29-37
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2000
The effect of a ceramic ball inclusion on densification behavior of a metal powder compact was investigated under cold isostatic pressing, pressureless sintering and hot isostatic pressing. To simulate those processes, proper constitutive models were implemented into a finite element program (ABAQUS). Measured density distributions of metal powder compacts were also compared with finite element results and showed the same trend with simulated results. Residual stress distributions were calculated by finite element analysis to study the effect of ceramic ball inclusions with different thermal expansion coefficients. The higher residual stress was observed in a metal powder compact when the difference between thermal expansion coefficients for a ceramic ball and metal powder became larger. Samples produced by Wing showed more uniform density distributions and lower residual stresses compared to those by sintering after cold isostatic pressing. For various sizes of ceramic ball inclusions, densification and deformation of powder compacts were also studied during hot isostatic pressing.
Seong-Hoon Jeong;Ehsan Mansouri;Nadia Ralston;Jong-Wan Hu
Steel and Composite Structures
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v.51
no.2
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pp.127-138
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2024
In this paper, structural behavior under fire conditions is comprehensively examined, and a novel software interface for testing interfaces efficiently is developed and validated. In order to accurately assess the response of structures to fire scenarios, advanced simulation techniques and modeling approaches are incorporated into the study. This interface enables accurate heat transfer analysis and thermo-mechanical simulations by integrating software tools such as CSI ETABS, CSI SAP2000, and OpenSees. Heat transfer models can be automatically generated, simulation outputs processed, and structural responses interpreted under a variety of fire scenarios using the proposed technique. As a result of rigorous testing and validation against established methods, including Cardington tests on scales and hybrid simulation approaches, the software interface has been proven to be effective and accurate. The analysis process is streamlined by this interface, providing engineers and researchers with a robust tool for assessing structural performance under fire conditions.
Kim, Jung-hyo;Cha, Byung-Chul;Lee, Keun-Hak;Park, Won-Wook
Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
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2012.11a
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pp.179-180
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2012
Aluminum alloys are widely known as non-ferrous metal with light weight and high strength. Consequently, these materials take center stage in the aircraft and automobile industry. The Al7075 aluminum alloy is based on the Al-Zn-Mg-Cu and one of the strongest wrought aluminum alloys. Aluminum nitride has ten times higher thermal conductivity($319W/m{\cdot}K$) than Al2O3 and also has outstanding electric insulation($1{\times}1014{\Omega}{\cdot}cm$). Furthermore, it has high mechanical property (430 MPa) even though its co-efficient of thermal expansion is less than alumina For these reasons, it has great possibilities to be used for not only the field which needs high strength lightweight but also electronic material field because of its suitability to be applied to the insulator film of PCB or wafer of ceramic with high heat conduction. This paper investigates the mechanical properties and corrosion behavior of aluminum alloy Al7075 deposited with aluminum nitride thin films To improve the surface properties of Al7075 with respect to hardness, and resistance to corrosion, aluminum nitride thin films have been deposited by pulsed DC reactive magnetron sputtering. The pulsed DC power provides arc-free deposition of insulating films.
Proceedings of the Polymer Society of Korea Conference
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2006.10a
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pp.291-291
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2006
Two different sources of clay, Na-Bentonite (Thai local clay) and Na-Montmorillonite were modified with Hexadodeccyltrimethyl ammonium bromide. The nanocomposites of polypropylene were successfully prepared via melt blending in a co-rotating twin screw extruder by using PP-g-MA as a compatibilizer at various contents of organoclays. The morphology of nanocomposites was investigated by using XRD and SEM. The results showed that the intercalated and exfoliated structures were obtained. The thermal behavior was also studied by using DSC and TGA. The degradation temperature of filled PP was greater than that of unfilled PP by 20%. And, the tensile strength and modulus were improved when a small amount of organoclays were added.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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