A refined projection-based purely Lagrangian meshfree method is presented towards reliable numerical analysis of fluid flow interactions with saturated/unsaturated porous media of uniform/spatially-varying porosities. The governing equations are reformulated on the basis of two-phase mixture theory with incorporation of volume fraction. These principal equations of mixture are discretized in the context of Incompressible SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) method. Associated with the consideration of governing equations of mixture, a new term arises in the source term of PPE (Poisson Pressure Equation), resulting in modified source term. The linear and nonlinear force terms are included in momentum equation to represent the resistance from porous media. Volume increase of fluid particles are taken into consideration on account of the presence of porous media, and hence multi-resolution ISPH framework is also incorporated. The stability and accuracy of the proposed method are thoroughly examined by reproducing several numerical examples including the interactions between fluid flow and saturated/unsaturated porous media of uniform/spatially-varying porosities. The method shows continuous pressure field, smooth variations of particle volumes and regular distributions of particles at the interface between fluid and porous media.
This paper presents a new and simple solution for determining the natural frequencies of framed tube combined with shear-walls and tube-in-tube systems. The novelty of the presented approach is based on the bending moment function approximation instead of the mode shape function approximation. This novelty makes the presented solution very simpler and very shorter in the mathematical calculations process. The shear stiffness, flexural stiffness and mass per unit length of the structure are variable along the height. The effect of the structure weight on its natural frequencies is considered using a variable axial force. The effects of shear lag phenomena has been investigated on the natural frequencies of the structure. The whole structure is modeled by an equivalent non-prismatic shear-flexural cantilever beam under variable axial forces. The governing differential equation of motion is converted into a system of linear algebraic equations and the natural frequencies are calculated by determining a non-trivial solution for the system of equations. The accuracy of the proposed method is verified through several numerical examples and the results are compared with the literature.
This paper concerns the problem of global robust stability of a time-delay discontinuous system with a positive-defined connection matrix under polytopic-type uncertainty. In order to give the stability condition, we firstly address the existence of solution and equilibrium point based on the properties of M-matrix, Lyapunov-like approach and the theories of differential equations with discontinuous right-hand side as introduced by Filippov. Second, we give the delay-independent and delay-dependent stability condition in terms of linear matrix inequalities (LMIs), and based on Lyapunov function and the properties of the convex sets. One numerical example demonstrate the validity of the proposed criteria.
We present the results of the linear analysis for the Parker-Jeans instability in the magnetized gas disks including the effect of cosmic-ray diffusion along the magnetic field lines. We adopted an uni-formly rotating two temperature layered disk with a horizontal magnetic fields and solved the perturbed equations numerically. Fragmentation of gases takes place and filamentary structures are formed by the growth of the instability. Nagai et al. (1998) showed that the direction of filaments being formed by the Parker-Jeans instability depends on the strength of pressure outside the unperturbed gas disk. We found that at some range of external pressures the direction of filaments is also governed by the value of the diffusion coefficient of CR along the magnetic field lines k.
In this research, the nonlinear free vibration analysis of boron-nitride micro ribbon (BNMR) on the Pasternak elastic foundation under electrical, mechanical and thermal loadings using modified strain gradient theory (MSGT) is studied. Employing the von $K{\acute{a}}rm{\acute{a}}n$ nonlinear geometry theory, the nonlinear equations of motion for the graphene micro ribbon (GMR) using Euler-Bernoulli beam model with considering attached mass and size effects based on Hamilton's principle is obtained. These equations are converted into the nonlinear ordinary differential equations by elimination of the time variable using Kantorovich time-averaging method. To determine nonlinear frequency of GMR under various boundary conditions, and considering mass effect, differential quadrature element method (DQEM) is used. Based on modified strain MSGT, the results of the current model are compared with the obtained results by classical and modified couple stress theories (CT and MCST). Furthermore, the effect of various parameters such as material length scale parameter, attached mass, temperature change, piezoelectric coefficient, two parameters of elastic foundations on the natural frequencies of BNMR is investigated. The results show that for all boundary conditions, by increasing the mass intensity in a fixed position, the linear and nonlinear natural frequency of the GMR reduces. In addition, with increasing of material length scale parameter, the frequency ratio decreases. This results can be used to design and control nano/micro devices and nano electronics to avoid resonance phenomenon.
This paper presents nonlinear analysis of an arbitrary functionally graded circular plate integrated with two functionally graded piezoelectric layers resting on the Winkler-Pasternak foundation. Geometric nonlinearity is considered in the strain-displacement relation based on the Von-Karman assumption. All the mechanical and electrical properties except Poisson's ratio can vary continuously along the thickness of the plate based on a power function. Electric potential is assumed as a quadratic function along the thickness direction. After derivation of general nonlinear equations, as an instance, numerical results of a functionally graded material integrated with functionally graded piezoelectric material obeying two different functionalities is investigated. The effect of different parameters such as parameters of foundation, non homogenous index and boundary conditions can be investigated on the mechanical and electrical results of the system. A comprehensive comparison between linear and nonlinear responses of the system presents necessity of this study. Furthermore, the obtained results can be validated by using previous linear and nonlinear analyses after removing the effect of foundation.
This study investigates effect of uncertainty in natural vibration period on the seismic demand. It is shown that since this uncertainty affects the acceleration and displacement responses differently, two ratios, one relating peak acceleration responses and the other relating the peak displacement responses, are not equal and both must be employed in evaluating and defining the critical seismic demand. The evaluation of the ratios is carried out using more than 200 strong ground motion records. The results suggest that the uncertainty in the natural vibration period impacts significantly the statistics of the ratios relating the peak responses. By using the statistics of the ratios, a procedure and sets of empirical equations are developed for estimating the probability consistent seismic demand for both linear and nonlinear systems.
This contribution presents an extended one-dimensional theory for piezoelectric beam-type structures with non-ideal electrodes. For these types of electrodes the equipotential area condition is not satisfied. The main motivation of our research is originated from passive vibration control: when an elastic structure is covered by several piezoelectric patches that are linked via resistances and inductances, vibrational energy is efficiently dissipated if the electric network is properly designed. Assuming infinitely small piezoelectric patches that are connected by an infinite number of electrical, in particular resistive and inductive elements, one obtains the Telegrapher's equation for the voltage across the piezoelectric transducer. Embedding this outcome into the framework of Bernoulli-Euler, the final equations are coupled to the wave equations for the longitudinal motion of a bar and to the partial differential equations for the lateral motion of the beam. We present results for the wave propagation of a longitudinal bar for several types of electrode properties. The frequency spectra are computed (phase angle, wave number, wave speed), which point out the effect of resistive and inductive electrodes on wave characteristics. Our results show that electrical damping due to the resistivity of the electrodes is different from internal (=strain velocity dependent) or external (=velocity dependent) mechanical damping. Finally, results are presented, when the structure is excited by a harmonic single force, yielding that resistive-inductive electrodes are suitable candidates for passive vibration control that might be of great interest for practical applications in the future.
This paper is concerned with the investigation on the stability and convergence characteristics of the Crank-Nicolson-Galerkin scheme that is widely being employed for the numerical approximation of parabolic-type partial differential equations. Here, we present the theoretical analysis on its consistency and convergence, and we carry out the numerical experiments to examine the effect of the time-step size △t on the h- and P-convergence rates for various mesh sizes h and approximation orders P. We observed that the optimal convergence rates are achieved only when △t, h and P are chosen such that the total error is not affected by the oscillation behavior. In such case, △t is in linear relation with DOF, and furthermore its size depends on the singularity intensity of problems.
The paper focuses on the integration of a non-linear one-dimensional model of Synthetic Jet (SJ) actuator in a well-assessed numerical simulation method for turbulent compressible flows. The computational approach is intended to the implementation of a numerical tool suited for flow control simulations with affordable CPU resources. A strong compromise is sought between the use of boundary conditions or zero-dimensional models and the full simulation of the actuator cavity, in view of long-term simulation with multiple synthetic jet actuators. The model is integrated in a multi-domain numerical procedure where the controlled flow field is simulated by a standard CFD method for compressible RANS equations, while flow inside the actuator is reduced to a one-dimensional duct flow with a moving piston. The non-linear matching between the two systems, which ensures conservation of the mass, momentum and energy is explained. The numerical method is successfully tested against three typical test cases: the jet in quiescent air, the SJ in cross flow and the flow control on the NACA0015 airfoil.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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