This paper presents the numerical study to examine characteristics of fluid flow and solute transport in a rough fracture subject to effective normal stresses. The aperture distribution is generated by using the self-affine fractal model. In order to represent a nonlinear relationship between the supported normal stress and the fracture aperture, we combine a simple mechanical model with the local flow model. The solute transport is simulated using the random walk particle following algorithm. Results of numerical simulations show that the flow is significantly affected by the geometry of aperture distribution varying with the effective normal stress level while it is slightly affected by the fractal dimension that determines the degree of the fracture surface roughness. However, solute transport is influenced by the effective normal stress as well as the fracture surface roughness.
Catchments soil erosion, one of the most serious problems in the mountainous environment of the world, consists of a complex phenomenon involving the detachment of individual soil particles from the soil mass and their transport, storage and overland flow of rainfall, and infiltration. Sediment size distribution during erosion processes appear to depend on many factors such as rainfall characteristics, vegetation cover, hydraulic flow, soil properties and slope. This study involved laboratory flume experiments carried out under simulated rainfall in a 3.0 m long ${\times}$ 0.8 m wide ${\times}$ 0.7 m deep flume, set at $17^{\circ}$ slope. Five experimental cases, consisting of twelve experiments using three different sediments with two different rainfall conditions, are reported. The experiments consisted of detailed observations of particle size distribution of the out-flow sediment. Sediment water mixture out-flow hydrograph and sediment mass out-flow rate over time, moisture profiles at different points within the soil domain, and seepage outflow were also reported. Moisture profiles, seepage outflow, and movement of overland flow were clearly found to be controlled by water retention function and hydraulic function of the soil. The difference of grain size distribution of original soil bed and the out-flow sediment was found to be insignificant in the cases of uniform sediment used experiments. However, in the cases of non-uniform sediment used experiments the outflow sediment was found to be coarser than the original soil domain. The results indicated that the sediment transport mechanism is the combination of particle segregation, suspension/saltation and rolling along the travel distance.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.26
no.9
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pp.1201-1208
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2002
A numerical flow-field analysis is performed to investigate flow configurations in the anode, cathode and cooling channels on the bipolar plates of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Continuous open-faced flow channels are formed on the bipolar plate surface to supply hydrogen, air and water. In this analysis, two types of channel pattern are considered: serpentine and spiral. The averaged pressure distribution and velocity profiles of the hydrogen, air and water channels are calculated by two-dimensional flow-field analysis. The equations for the conservation of mass and momentum in the two-dimensional fluid flow analysis are slightly modified to include the characteristics of the PEMFC. The analysis results indicate that the serpentine flow-fields are locally unstable (because two channels are cross at right angles). The spiral flow-fields has more stable than the serpentine, due to rotational fluid-flow inertia forces. From this study, the spiral channel pattern is suggested for a channel pattern of the bipolar plate of the PEMFC to obtain better performance.
A numerical model to analyze the unsteady flow in water distribution system was developed by using wave adjustment method. When analyzing the unsteady flow in the real water distribution system, the computational procedures are very complex due to the various boundary condition. Wave adjustment method, which can solve the boundary condition more simply and accurately, was introduced to overcome this difficulty and related equations to solve external flow directly were presented. Using these equations, the numerical model was developed to analyze water hammer. The suggested model was applied to a hypothetical distribution system and a real system with 26 pipes with various external flow boundary condition to evaluate the applicability of the developed model. The simulation results by this model agree with those by Karney's analysis in terms of discharge and pressure.
The chlorine's residual concentration prevents the regrowth of microorganism in water transport along the pipeline system. Precise prediction of chlorine concentration is important in determining disinfectant injection for the water distribution system. In this study, a pilot scale water distribution system was designed and fabricated to measure the temporal variation of chlorine concentration for three flow conditions (V = 0.88, 1.33, 1.95 m/s). Various kinetic models were applied to identify the relationship between hydraulic condition and chlorine decay. Genetic Algorithm (GA) was integrated into five kinetic models and time series of chlorine were used to calibrate parameters. Model fitness was compared by Root Mean Square Error (RMSE) between measurement and prediction. Limited first order model and Parallel first order showed good fitness for prediction of chlorine concentration.
Air-water countercurrent flow limitation at perforated plates with four holes was investigated in a vertical tank to see the effects of the plate thickness, the number of hole, and the diameter of the hole on the onset of CCFL. The thickness of plates was 1 cm and 4 cm, with a relatively large hole diameter of 5 cm. The collapsed water level formed on the perforated plate and its distribution in the upper plenum were measured. The gas flow rate in the multi-hole plate is relatively higher than one in the single tube because some of holes in the multi-hole plate provide a flow path fur liquid with less air-liquid resistance than in the single tube. The onset of CCFL occurred at nearly the same air flow rate regardless of the plate thickness. The negligible effect of the plate thickness on CCFL means that the flooding is initiated at the top of the plate rather than at its bottom. It turns out that $j_k$ and $K_k$ better fit the data than $H_k$ when hole diameter is greater than 2.86 cm. In our experimental ranges, the collapsed water levels at the onset of CCFL ranged from 7.5 cm to 10.5 cm. There was no three dimensional distribution of water level before and after the onset of CCFL.
Kim, Seong-Su;Choi, Jong-Woong;Park, No-Suk;Wang, Chang-Keun
Journal of Korean Society of Water and Wastewater
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v.27
no.2
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pp.215-222
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2013
The fluctuation of inlet flow to a water treatment plant makes a serious problem that it can change the outlet flowrate from each process abruptly. Since it takes very short time for the surface wave occurred from the fluctuation of inlet flow to reach the latter processes, it is impossible for operators to cope with that stably. In order to investigate the characteristics of hydraulic behavior for rectangular sedimentation basin in water treatment plant, CFD(Computational Fluid Dynamics) simulation were employed. From the results of both CFD simulations, it was confirmed that time taken for the follow-up processes by the fluctuation in intake well can be estimated by the propagation velocity of surface waves. Also, it takes very short time for the surface wave occurred from the fluctuation of inlet flow to reach the latter processes. In the case of inlet flowerate being increased sharply, local velocity within sedimentation basin appeared as wave pattern and increased due to convection current. Also, it could be observed that vortex made local velocity in the vicinity of bottom rise.
One of major errors in flow rate measurement for two-phase flow using an Electrical Capacitance Sensor (ECS) concerns sensor sensitivity under temperature raise. The thermal effect on electrical capacitance sensor (ECS) system for air-water two-phase flow monitoring include sensor sensitivity, capacitance measurements, capacitance change and node potential distribution is reported in this paper. The rules of 12-electrode sensor parameters such as capacitance, capacitance change, and change rate of capacitance and sensitivity map the basis of Air-water two-phase flow permittivity distribution and temperature raise are discussed by ANSYS and MATLAB, which are combined to simulate sensor characteristic. The cross-sectional void fraction as a function of temperature is determined from the scripting capabilities in ANSYS simulation. The results show that the temperature raise had a detrimental effect on the electrodes sensitivity and sensitive domain of electrodes. The FE results are in excellent agreement with an experimental result available in the literature, thus validating the accuracy and reliability of the proposed flow rate measurement system.
Field measurement data on water leakage are not readily available and it causes inaccurate assessment of water demand and poor supply planning. In this study, the procedure for leakage detection and unaccounted water calculation is proposed and applied to a city. The city has suffered from the significant amount of leak water and the financial loss as a result. Measurements were made for pressure and flow at 18 locations before and after the repair. Repair of the leakage increased pressure up to $2.0kgf/cm^2$ and saved 17.1% of water supply from distribution reservoirs. Monetary value of annual water savings for the entire city amounts to 1 billion won. It is believed that leakage detection and data analysis conducted in this study will contribute to the change of current practice and to the establishment of better water supply management system.
Over the past few years, many studies have been conducted on the flow, sediment movement, pollution transportation and scour etc. However, very few attempts have been made at the hydraulic studies reflecting upon the ecological function. The objective of this study is to examine the structures of the flow and turbulence in an open circular channel and their relationship to distribution of the organisms and chironomids. Under different flow conditions, the organic matter and some chironomids were injected into the channel. Using the obtained velocity data, the flow mechanisms and the turbulent shear stresses were analyzed. Organic matters and chironomids were distributed on the region that the velocity was slower and the turbulent shear stresses were smaller. Some habitat moved even though chironomids were inhabited. This phenomenon has relationship with the flow mechanism. Some chironomids have distributed around the habitat structure of a hemisphere. The secondary flow has affected the deposition of the organic matters and the distribution of chironomids.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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