Relative humidity, membrane conductivity and water activity are critical parameters of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) for high performance and reliability. These parameters are closely related with temperature. Moreover, the ideal values of these parameters are not always identical along the channels. Therefore, the cooling channel design and its operating condition should be well optimized along the all location of the channels. In the present study, we have performed a numerical investigation on the effects of cooling channels on performance of a PEMFC. Three-dimensional Navier-Stokes equations are solved with the energy equation including heat generated by the electrochemical reactions in the fuel cell. The present numerical model includes the gas diffusion layers (GDL) and serpentine channels for both anode and cathode gas flows, as well as cooling channels. To accurately predict the water transport across the membrane, the distribution of water content in the membrane is calculated by solving a nonlinear differential equation with a nonlinear coefficient, i.e., the water diffusivity which is a function of water content as well as temperature. Main emphasis is placed on the heat transfer between the solid bipolar plate and coolant flow. The present results show that local current density is affected by cooling channels due to the change of the oxygen concentration and the membrane conductivity as well as the water content. It is also found that the relative humidity is influenced by the generated water and the gas temperature and thus it affects the distribution of fuel concentration and the conductivity of the membrane, ultimately fuel cell performance. Unit-cell experiments are also carried out to validate the numerical models. The performance curves between the models and experiments show reasonable results.
본 논문은 AREA법을 사용하는 줄눈 콘크리트포장의 평가에 3차원 유한요소모델을 사용하는 경우 나타나는 특성을 조사하는데 목적이 있다. 이를 위해 실제 콘크리트포장을 거동을 반영할 수 있는 3차원 유한요소모델을 구축하였고 2차원 모델과 비교한 후 민감도 분석을 수행하였다. ILLISLAB을 사용한 2차원 모델과 비교하였고 하중형태의 영향 보다 하중재하 지점의 자체수축과 기층모델에 따른 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 3차원 모델에서 비선형 온도구배를 선형 온도구배로 변화시키는 경우 발생하는 영향을 조사하였고 큰 차이를 보이지는 않았으나 지반 탄성계수가 작아질수록 더 많은 차이를 보였다. 동적하중에 의한 처짐을 구하였고 정적하중에 의한 처짐과 비교한 결과 낮은 지반 탄성계수에서는 동적하중에 의한 처짐이 작게 나타났으나 높은 지반 탄성계수에서는 동적하중에 의한 처짐이 크게 나타났다. 동적하중에 의한 처짐 이력을 구하고 AREA법을 이용하여 동적지지력과 탄성계수를 역산하였으며 이를 정적 처짐에 의한 결과와 비교하였다. 그 결과 동적지지력의 경우 정적 해석에 의한 값보다 동적해석에 의한 값이 낮게 나타났고 탄성계수의 경우 반대의 경향을 나타내어 현장에서 AREA법을 사용하는 경우 나타나는 평가결과의 특성을 설명하는 것으로 판단되었다.
We investigate the effects of solutal convection on the crystal growth rate in a horizontal configuration for diffusive-convection conditions and purely diffusion conditions achievable in a low gravity environment for a nonlinear thermal gradient. It is concluded that the solutally-driven convection due to the disparity in the molecular weights of the component A $(Hg_2Br_2)$ and B (CO) is stronger than thermally-driven convection for both the nonlinear and the linear thermal profiles, corresponding to $Gr_t= 8.5{\times}10^3,\; Gr_s = 1.05{\times}10^5$. For both solutal and thermal convection processes, the growth rates for the linear thermal profile (conducting walls) are greater than for the nonlinear case. With the temperature humps, there are found to be observed in undersaturation for diffusive-convection processes ranging from $D_{AB}$ = 0.087 to 0.87. For the vertical configurations, the diffusion mode is so much dominated that the growth rate and interfacial distribution is nearly regardless of the gravitational accelerations. Also, the diffusion mode is predominant over the convection for the gravity levels less than 0.1 $g_0$ for the horizontally oriented configuration.
판의 두께에 선형적으로 변화하는 온도분포의 열하중을 받는 단순지지의 사각형 박판을 해석하였다. 열에 의한 판의 처짐이 판두께에 비해 상대적으로 과대하여 막응력이 부수적으로 발생하여 문제는 비선형 해석이 된다. 큰 처짐을 가지는 기하학적 비선형 문제를 지배하는 기본방정식은 von Karman 방정식이 사용되며 차분법으로 수치해석 한다. 차분화 하여 얻어지는 유사선형 대수방정식은 반복법을 도입하여 해석하고 결과치를 해석적으로 얻은 해와 비교 검토한다.
The purpose of this study is to develop practical tools for the mechanical design of cylindrical porous media subjected to a broad gap in a hygrothermal environment. The planar axisymmetrical and transient hygrothermoelastic field in a porous hollow cylinder that is exposed to a broad gap of temperature and dissolved moisture content and is free from mechanical constraint on all surfaces is investigated considering the nonlinear coupling between heat and binary moisture and the diffusive properties of both phases of moisture. The system of hygrothermal governing equations is derived for the cylindrical case and solved to illustrate the distributions of hygrothermal-field quantities and the effect of diffusive properties on the distributions. The distribution of the resulting stress is theoretically analyzed based on the fundamental equations for hygrothermoelasticity. The safety hazard because of the analysis disregarding the nonlinear coupling underestimating the stress is illustrated. By comparing the cylinder with an infinitesimal curvature with the straight strip, the significance to consider the existence of curvature, even if it is infinitesimally small, is demonstrated qualitatively and quantitatively. Moreover, by investigating the bending moment, the necessities to consider an actual finite curvature and to perform the transient analysis are illustrated.
We in this paper study nonlinear bending of a functionally graded porous nanobeam subjected to multiple physical load based on the nonlocal strain gradient theory. For more reasonable analysis of nanobeams made of porous functionally graded magneto-thermo-electro-elastic materials (PFGMTEEMs), both constituent materials and the porosity appear gradient distribution in the present expression of effective material properties, which is much more suitable to the actual compared with the conventional expression of effective material properties. Besides the displacement function regarding physical neutral surface is introduced to analyze mechanical behaviors of beams made of FGMs. Then we derive nonlinear governing equations of PFGMTEEMs beams using the principle of Hamilton. To obtain analytical solutions, a two-step perturbation method is developed in nonuniform electric field and magnetic field, and then we use it to solve nonlinear equations. Finally, the analytical solutions are utilized to perform a parametric analysis, where the effect of various physical parameters on static bending deformation of nanobeams are studied in detail, such as the nonlocal parameter, strain gradient parameter, the ratio of nonlocal parameter to strain gradient parameter, porosity volume fraction, material volume fraction index, temperature, initial magnetic potentials and external electric potentials.
The nonlinear snap-through buckling of functionally graded (FG) carbon nanotube reinforced composite (CNTRC) curved tubes is analytically investigated in this research. It is assumed that the FG-CNTRC curved tube is supported on a three-parameter nonlinear elastic foundation and is subjected to the uniformly distributed pressure and thermal loads. Properties of the curved nanocomposite tube are distributed across the radius of the pipe and are given by means of a refined rule of mixtures approach. It is also assumed that all thermomechanical properties of the nanocomposite tube are temperature-dependent. The governing equations of the curved tube are obtained using a higher-order shear deformation theory, where the traction free boundary conditions are satisfied on the top and bottom surfaces of the tube. The von Kármán type of geometrical non-linearity is included into the formulation to consider the large deflection in the curved tube. Equations of motion are solved using the two-step perturbation technique for nanocomposite curved tubes which are simply-supported and clamped. Closed-form expressions are provided to estimate the snap-buckling resistance of FG-CNTRC curved pipes rested on nonlinear elastic foundation in thermal environment. Numerical results are given to explore the effects of the distribution pattern and volume fraction of CNTs, thermal field, foundation stiffnesses, and geometrical parameters on the instability of the curved nanocomposite tube.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제9권2호
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pp.45-53
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2005
This paper investigates the influence of thermal conductivity and variable viscosity on the problem of micropolar fluid in the presence of suction or injection. The fluid viscosity is assumed to vary as an exponential function of temperature and the thermal conductivity is assumed to vary as a linear function of temperature. The governing fundamental equations are approximated by a system of nonlinear ordinary differential equations and are solved numerically by using shooting method. Numerical results are presented for the distribution of velocity, microrotation and temperature profiles within the boundary layer. Results for the details of the velocity, angular velocity and temperature fields as well as the friction coefficient, couple stress and heat transfer rate have been presented.
Nonlinear vibration and instability of cylindrical shell conveying fluid-nanoparticles mixture flow are studied in this article. The surrounding elastic medium is modeled by Pasternak foundation. Mixture rule is used for obtaining the effective viscosity and density of the fluid-nanoparticles mixture flow. The material properties of the elastic medium and cylindrical shell are assumed temperature-dependent. Employing first order shear deformation theory (FSDT), the motion equations are derived using energy method and Hamilton's principal. Differential quadrature method (DQM) is used for obtaining the frequency and critical fluid velocity. The effects of different parameters such as volume percent of nanoparticles, boundary conditions, geometrical parameters of cylindrical shell, temperature change, elastic foundation and fluid velocity are shown on the frequency and critical fluid velocity of the structure. Results show that with increasing volume percent of nanoparticles in the fluid, the frequency and critical fluid velocity will be increases.
Because of the increasing span of arch bridges, ultimate capacity analysis recently becomes more focused both on design and construction. This paper investigates the static and ultimate behavior of a long-span steel arch bridge up to failure and evaluates the overall safety of the bridge. The example bridge is a long-span steel arch bridge with a 550 m-long central span under construction in Shanghai, China. This will be the longest central span of any arch bridge in the world. Ultimate behavior of the example bridge is investigated using three methods. Comparisons of the accuracy and reliability of the three methods are given. The effects of material nonlinearity of individual bridge element and distribution pattern of live load and initial lateral deflection of main arch ribs as well as yield stresses of material and changes of temperature on the ultimate load-carrying capacity of the bridge have been studied. The results show that the distribution pattern of live load and yield stresses of material have important effects on bridge behavior. The critical load analyses based on the linear buckling method and geometrically nonlinear buckling method considerably overestimate the load-carrying capacity of the bridge. The ultimate load-carrying capacity analysis and overall safety evaluation of a long-span steel arch bridge should be based on the geometrically and materially nonlinear buckling method. Finally, the in-plane failure mechanism of long-span steel arch bridges is explained by tracing the spread of plastic zones.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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