The setting and hardening of concrete is accompanied with nonlinear temperature distribution caused by development of hydration heat of cement. Especially at early ages, this nonlinear distribution has a large influence on the crack evolution. As a result, in order to predict the exact temperature history in concrete structures it is required to examine thermal properties of concrete. In this study, the coefficient of air convection, which presents thermal transfer between surface of concrete and air, was experimentally investigated with variables such as velocity of wind and types of form. From experimental results, the coefficient of air convection was calculated using equations of thermal equilibrium. Finally, the prediction model for equivalent coefficient of air convection including effects of velocity of wind and types of form was theoretically proposed. The coefficient of air convection in the proposed model increases with velocity of wind, and its dependance on wind velocity is varied with types of form. This tendency is due to a combined heat transfer system of conduction through form and convection to air. From comparison with experimental results, the coefficient of air convection by this model was well agreed with those by experimental results.
The theoretical study is developed for predicting the thermal expansion changes of composites which include complex inclusion, which is used three-dimensional ellipsoid model ($a_1>a_2>a_3$), which has two aspect ratios (the primary aspect ratio, $\rho_{\alpha}=a_1/a_3$ and the secondary aspect ratio, $\rho_{\beta}=a_1/a_2$). We can predict the feature of general thermal expansion factors by theoretical approach of matrix with aligned ellipsoidal inclusion using the Eshelby's equivalent tensor. The coefficients of longitudinal linear thermal expansion ${\alpha}_{11}$ decrease to those of inclusions, ${\alpha}_f$, as both aspect ratios increase. The coefficients of transverse linear thermal expansion of composites ${\alpha}_{33}$ initially increase and show the parabolic corves with maximum values, as the concentrations of filler increase. The coefficient of thermal expansion, ${\alpha}_{22}$ in the transverse direction decreases, as $\rho_{\alpha}$ increases, however, ${\alpha}_{22}$ increases as $\rho_{\beta}$ increases. The coefficient of linear thermal expansion of composites, ${\alpha}_{33}$ in the normal direction increases, as $\rho_{\alpha}$ increases, while ${\alpha}_{33}$ decreases as $\rho_{\beta}$ increases.
In this study, the structural analysis of the track was performed according to the gap between the rails due to thermal expansion by the frictional contact between the wheels of the train in motion. The equivalent stress and total deformation at the condition for which the gap between joints are wide as the winter condition (model B) can be seen to happen more than at the summer condition (model A) in which the joints are narrow. If the results of this study are applied to the design of railway tracks, it is thought to be highly useful in preventing fatigue failure and increasing its durability. By applying the durability analysis at the seam of railroad track by season, this investigation result is seen to be favorable as the convergent research applied to the aesthetic design.
Shyam K. Chaudhary;Vishesh R. Kar;Karunesh K. Shukla
Advances in aircraft and spacecraft science
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v.10
no.2
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pp.127-140
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2023
The present article focuses on the thermoelastic deformation behavior of inhomogeneous functionally graded metal/ceramic cylindrical shell structure with multiple perforations using 2D finite element approximation. Here, cylindrical shell structure is considered with single (1×1) and multiple (2×2, 3×3 and 4×4) perforations. The temperature-dependent elastic and thermal properties of functionally graded material are evaluated using Voigt's micromechanical material scheme via power-law function. The kinematics of the proposed model is based on the equivalent single-layer first-order shear deformation mid-plane theory with five degrees-of-freedom. Here, 2D isoparametric finite element solutions are obtained using eight-node quadrilateral elements. The mesh refinement of present finite element model is performed to confirm the appropriate number of elements and nodes for the analysis purpose. Subsequently, a comparison test is conducted to demonstrate the accuracy of present results. In later section, numerous numerical illustrations are demonstrated at different set of conditions by varying structural, material and loading parameters and that confirms the significance of various parameters such as power-law index, aspect ratio, thickness ratio, curvature ratio, number of perforations and temperature on the deformation characteristics of functionally graded cylindrical shell structure.
Park, Jeong-Yeon;Lee, Dong-Mok;Lee, Jienny;Lee, Sun-ray;Yoon, Gil-Sang
Design & Manufacturing
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v.14
no.2
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pp.1-6
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2020
Recently, research and commercialization related to the field of cell-based therapeutic drug development has been actively conducted. In order to maintain cell viability and prevent contamination, refrigeration preservation devices, such as CRF (controlled rate freezer) or vapor type LN2 tanks have been developed. On the other hand, the storage container for liquid nitrogen tanks currently on sale minimizes the flow structure to prevent structural defects when stored in a liquid nitrogen tank having a high thermal conductivity than vapor nitrogen. If the cell-based treatment drug is stored in the gaseous LN2 tank as it is, the cell survival after thawing is greatly reduced. It was estimated that the existing storage container structure was a factor that prevented the rapid entry and circulation of gaseous nitrogen into the container. Therefore, this study intends to propose a new supercellular storage container model that can maintain the mechanical strength while maximizing the fluid flow structure. To this end, we estimated that the structural change of the storage container effects on the equivalent stress formed around the through-holes of them when exposed to a cryogenic environment using thermal-structural coupled field analysis. As a result of storage experiments in the gas phase tank of the cell-based therapeutic agent using the developed storage container, it was confirmed that the cell growth rate was improved from 66% to 77%, which satisfied the transportation standards of the FDA(Food and Drug Administration) cell-based therapeutic agent.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.2
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pp.193-200
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2011
A BOR(Boil-Off Rate) prediction model for the NO96 membrane-type LNG insulation containment filled with superlite powders during laden voyage is presented in this paper. Finite element model for the unsteady-state heat transfer analysis is constructed by considering the air and water conditions and by employing the homogenization method to simplify the complex insulation material composition. BOR is evaluated in terms of the total amount of heat invaded into LNGCC and its variation to the major variables is investigated by the parametric heat transfer analysis. Based upon the parametric results, a BOR prediction model which is in function of the LNG tank size, the insulation layer thickness and the powder thermal conductivity is derived. Through the verification experiment, the accuracy of the derived prediction model is justified such that the maximum relative difference is less than 1% when compared with the direct numerical estimation using the FEM analysis.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.6
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pp.577-582
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2016
In this study, a multiscale method for solving a thermoelasticity problem for interphase in the polymeric nanocomposites is developed. Molecular dynamics simulation and finite element analysis were numerically combined to describe the geometrical boundaries and the local mechanical response of the interfacial region where the polymer networks were highly interacted with the nanoparticle surface. Also, the micrmechanical thermoelasticity equations were applied to the obtained equivalent continuum unit to compute the growth of interphase thickness according to the size of nanoparticles, as well as the thermal phase transition behavior at a wide range of temperatures. Accordingly, the equivalent continuum model obtained from the multiscale analysis provides a meaningful description of the thermoelastic behavior of interphase as well as its nanoparticle size effect on thermoelasticity at both below and above the glass transition temperature.
The paper aims at improving the understanding and mitigating the effects of tunnel fires that may breakout due to the burning fuel and/or explosion within the tunnel. This study particularly focuses on the behavior of the commonly used horse shoe geometry of tunnel systems. The problem has been obtained using an adequate well-established program incorporating the Lagrangian approach. A transient-thermo-coupled static structural analysis is carried out. The effects of radiation and convection to the outer walls of the tunnel is studied. The paper also presents the impact of the hazard on the structural integrity of the tunnel. A methodology is proposed to study the tunnel fire using a model which uses equivalent steel sheet to represent the presence of reinforcements to improve the computational efficiency with adequate validation. A parametric study has been carried out and the effect of suitable lining property for mitigating the fire hazard is arrived at. Detailed analysis is done for the threshold limits of the properties of the lining material to check if it is acceptable in all aspects for the integrity of the tunnel. The study may prove useful for developing insights for ensuring tunnel fire safety. To conduct such studies experimentally are tremendously costly but are required to gain confidence. But, scaled models, as well as loading and testing conditions, cannot be studied by many trials experimentally as the cost will shoot up sharply. In this context, the results obtained from such computational studies with a feasible variation of various combinations of parameters may act as a set of guidelines to freeze the adequate combination of various parameters to conduct one or two costly experiments for confidence building.
A statistical prediction model for the typhoon intensity and track in the Northwestern Pacific area was developed based on the artificial neural network scheme. Specifically, this model is focused on the 5-day prediction after tropical cyclone genesis, and used the CLIPPER parameters (genesis location, intensity, and date), dynamic parameters (vertical wind shear between 200 and 850hPa, upper-level divergence, and lower-level relative vorticity), and thermal parameters (upper-level equivalent potential temperature, ENSO, 200-hPa air temperature, mid-level relative humidity). Based on the characteristics of predictors, a total of seven artificial neural network models were developed. The best one was the case that combined the CLIPPER parameters and thermal parameters. This case showed higher predictability during the summer season than the winter season, and the forecast error also depended on the location: The intensity error rate increases when the genesis location moves to Southeastern area and the track error increases when it moves to Northwestern area. Comparing the predictability with the multiple linear regression model, the artificial neural network model showed better performance.
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.3
no.3
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pp.3-12
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2000
The field surveys and the measurements of seawater temperatures were conducted every month from 1997 to 1999, and the distributions of seawater temperature were simulated and reproduced by a three dimensional hydrodynamic numerical model over the southern waters of Cheju island. In order to estimate the marine environmental capacity for the reception of the heat loads of cooling water discharged from Hwasoon Thermal Power Plant(HTPP) in the study area, the simulations for predicting the situation of unfavorable environment in which marine organisms might not be satisfied with change in seawater temperature were peformed using a three dimensional hydrodynamic numerical model by controlling quantitatively the heat loads of cooling water from HTPP Currently, HTPP discharges cooling water of 35.9℃ into the sea as much as 112,800m³/day in summer. As the results of simulations, the more the heat loads from the power plant increase, the more increase the seawater temperatures around the water areas adjacent to the power plant. In case the heat loads of cooling water from HTPP become about 5 times as high as the present loads, seawater temperatures at near-shore waters adjacent to HTPP appear to be increased to the extent of 0.5℃ above the existing seawater temperature in summer. The marine environmental capacity for the reception of thermal discharge from HTPP is estimated to be about 530×10/sup 6/kcal/day which is equivalent to the increase of a factor of 2 in the temperature of cooling water without any change in the discharge rate of cooling water or which is equivalent to the increase of a factor of 4.6 in the discharge rate of cooling water without any change in the temperature of cooling water. Comparing the case of the increase in the discharge rate of cooling water with the case of the increase in the temperature of cooling water on the basis of the same heat loads of 530×10/sup 6/kal/day, the former case is expected to increase seawater temperature a little higher and to extend the area affected by heat loads a little broader.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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