Emerging issues related with fully coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behavior of unsaturated soil demand the development of a numerical tool in diverse geo-mechanical and geo-environmental areas. This paper presents general governing equations for coupled THM processes in unsaturated porous media. Coupled partial differential equations are derived from three mass balances equations (solid, water, and air), energy balance equation, and force equilibrium equation. With Galerkin formulation and time integration of these governing equations, finite element code is developed to find nonlinear solution of four main variables (displacement-u, gas pressure-$P_g$), liquid pressure-$P_1$), and temperature-T) using Newton's iterative scheme. Three cases of numerical simulations are conducted and discussed: one-dimensional drainage experiments (u-$P_g-P_1$), thermal consolidation (u-$P_1$-T), and effect of pile on surrounding soil due to surface temperature variation (u-$P_1$-T).
Because discontinuity in the rock mass and contact of soil-structure interaction exhibits coupled thermal-hydromechanical (THM) behavior, it is necessary to develop an interface element based on the full governing equations. In this study, we derive force equilibrium, fluid continuity, and energy equilibrium equations for the interface element. Additionally, we present a stiffness matrix of the elastoplastic mechanical model for the interface element. The developed interface element uses six nodes for displacement and four nodes for water pressure and temperature in a two-dimensional analysis. The fully coupled THM analysis for fluid injection into a fault can model the complicated evolution of injection pressure due to decreasing effective stress in the fault and thermal contraction of the surrounding rock mass. However, the result of hydromechanical analysis ignoring thermal phenomena overestimates hydromechanical variables.
We proposed a numerical method for the thermo-mechanical behavior of rock fracture using a grain-based distinct element model (GBDEM) and simulated thermally induced fracture slip. The present study is the benchmark simulation performed as part of DECOVALEX-2023 Task G, which aims to develop a numerical method to estimate the coupled thermo-hydro-mechanical processes within the crystalline rock fracture network. We represented the rock sample as an assembly of Voronoi grains and calculated the interaction of the grains (blocks) and their interfaces (contacts) using a distinct element code, 3DEC. Based on an equivalent continuum approach, the micro-parameters of grains and contacts were determined to reproduce rock as an elastic material. Then, the behavior of the fracture embedded in the rock was characterized by the contacts with Coulomb shear strength and tensile strength. In the benchmark simulation, we quantitatively examined the effects of the boundary stress and thermal stress due to heat conduction on fracture behavior, focusing on the mechanism of thermally induced fracture slip. The simulation results showed that the developed numerical model reasonably reproduced the thermal expansion and thermal stress increment, the fracture stress and displacement and the effect of boundary condition. We expect the numerical model to be enhanced by continuing collaboration and interaction with other research teams of DECOVALEX-2023 Task G and validated in further study experiments.
This paper focuses on the thermal deformation induced preload change in the tilting pad journal bearing, using a three-dimensional (3D) thermo-hydro-dynamic (THD) approach. Preload is considered as a critical factor in designing the tilting pad journal bearing. The initial preload measured under nil external load and nil thermal gradient is influenced by two factors, namely, the thermal deformation and elastic deformation. Thermal deformation is due to a temperature distribution in the bearing pads, whereas the elastic deformation is due to fluid forces acting on the pads. This study focuses on the changes induced in preload and film clearance due to thermal deformation. The generalized Reynolds equation is used to evaluate the force of the fluid and the 3D energy equation is used to calculate the temperature of the lubricant. The abovementioned equations are combined by establishing a relationship between viscosity and temperature. The heat transfer within the bearing pads, the lubricant, and the spinning journal is calculated using the heat flux boundary condition. The 3D Finite Element Method (FEM) is used in modeling the (1) heat conduction in the spinning journal and bearing pads, (2) thermal gradient induced thermal distortion of the spinning journal and pads, and (3) viscous shearing, and heat conduction and convection in a thin film. This evaluation method has an increased fidelity, and it can prove to be a cost-effective tool that can be used by designers to predict the dynamic behavior of a bearing.
Park, Kyung-Min;Joung, Yoon-Ki;Park, Ki-Dong;Lee, Sang-Young;Lee, Myung-Chul
Macromolecular Research
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v.16
no.6
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pp.517-523
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2008
A RGD (Arg-Gly-Asp) conjugated chitosan hydrogel was used as a cell-supporting scaffold for articular cartilage regeneration. Thermosensitive chitosan-Pluronic (CP) has potential biomedical applications on account of its biocompatibility and injectability. A RGD-conjugated CP (RGD-CP) copolymer was prepared by coupling the carboxyl group in the peptide with the residual amine group in the CP copolymer. The chemical structure of RGD-CP was characterized by $^1H$ NMR and FT IR. The concentration of conjugated RGD was quantified by amino acid analysis (AAA) and rheology of the RGD-CP hydrogel was investigated. The amount of bound RGD was $0.135{\mu}g$ per 1 mg of CP copolymer. The viscoelastic parameters of RGD-CP hydrogel showed thermo-sensitivity and suitable mechanical strength at body temperature for cell scaffolds (a> 100 kPa storage modulus). The viability of the bovine chondrocyte and the amount of synthesized glycosaminoglycans (GAGs) on the RGD-CP hydrogels were evaluated together with the alginate hydrogels as a control over a 14 day period. Both results showed that the RGD-CP hydrogel was superior to the alginate hydrogel. These results show that conjugating RGD to CP hydro gels improves cell viability and proliferation, including extra cellular matrix (ECM) expression. Therefore, RGD conjugated CP hydrogels are quite suitable for a chondrocyte culture and have potential applications to the tissue engineering of articular cartilage tissue.
Frost heave is one of the significant engineering characteristics of frozen ground and causes severe damages on geo-structures. Although thermo-hydro coupled analyses have been developed to predict frost heave behavior, these analyses involve excessive input parameters and have primarily been validated for frost heave in clayey soils. Frost heave mainly occurs in silty soils, which have relatively higher permeability compared to clayey soils, necessitating careful attention. This study introduces empirical models and verifies their reliability for silty soils. By using the validated model, the correlation of key input parameters is derived, which is expected to enhance the applicability of thermal-mechanical analysis for geo-structures on frozen ground in the future.
Within the framework of DECOVALEX-2019 Task D, full-scale engineered barriers experiment (FEBEX) at Grimsel Test Site was numerically simulated to investigate an applicability of implemented Barcelona basic model (BBM) into TOUGH2-MP/FLAC3D simulator, which was developed for the prediction of the coupled thermo-hydro-mechanical behavior of bentonite buffer. And the calculated heater power, temperature, relative humidity, total stress, saturation, water content and dry density were compared with in situ data monitored in the various sections. In general, the calculated heater power and temperature provided a fairly good agreement with experimental observations, however, the difference between power of heater #1 and that of heater #2 could not captured in the numerical analysis. It is necessary to consider lamprophyre with low thermal conductivity around heater #1 and non-simplified installation progresses of bentonite blocks in the tunnel for better modeling results. The evolutions and distributions of relative humidity were well reproduced, but hydraulic model needs to be modified because the re-saturation process was relatively fast near the heaters. In case of stress evolutions due to the thermal and hydraulic expansions, the computed stress was in good agreement with the data. But, the stress is slightly higher than the measured in situ data at the early stage of the operation, because gap between rock mass and bentonite blocks have not been considered in the numerical simulations. The calculated distribution of saturation, water content, and dry density along the radial distance showed good agreement with the observations after the first and final dismantling. The calculated dry density near the center of the FEBEX tunnel and heaters were overestimated compared with the observations. As a result, the saturation and water content were underestimated with the measurements. Therefore, numerical model of permeability is needed to modify for the production of better numerical results. It will be possible to produce the better analysis results and more realistically predict the coupled THM behavior in the bentonite blocks by performing the additional studies and modifying the numerical model based on the results of this study.
The deep geological repository for high-level radioactive waste disposal is a multi barrier system comprised of engineered barriers and a natural barrier. The long-term integrity of the deep geological repository is affected by the coupled interactions between the individual barrier components. Erosion and piping phenomena in the compacted bentonite buffer due to buffer-rock interactions results in the removal of bentonite particles via groundwater flow and can negatively impact the integrity and performance of the buffer. Rapid groundwater inflow at the early stages of disposal can lead to piping in the bentonite buffer due to the buildup of pore water pressure. The physiochemical processes between the bentonite buffer and groundwater lead to bentonite swelling and gelation, resulting in bentonite erosion from the buffer surface. Hence, the evaluation of erosion and piping occurrence and its effects on the integrity of the bentonite buffer is crucial in determining the long-term integrity of the deep geological repository. Previous studies on bentonite erosion and piping failed to consider the complex coupled thermo-hydro-mechanical-chemical behavior of bentonite-groundwater interactions and lacked a comprehensive model that can consider the complex phenomena observed from the experimental tests. In this technical note, previous studies on the mechanisms, lab-scale experiments and numerical modeling of bentonite buffer erosion and piping are introduced, and the future expected challenges in the investigation of bentonite buffer erosion and piping are summarized.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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