This paper presents the performance characteristics of a centrifugal blower using the design parameters of an impeller blade. Two design variables, the bending length from the blade trailing edge and bending angles of an impeller blade, are introduced to analyze the effects on the blower performance. Three-dimensional Navier-Stokes equations with shear stress transport turbulence model are introduced to analyze the performance and internal flow of the blower. Relatively good agreement between experimental measurements and numerical simulation at the design flow condition is obtained. Throughout present study, it is known that pressure increases as the bending length from the trailing edge and bending angle increase while efficiency decreases. But efficiency is decreased. Detailed flow field inside the centrifugal blower is also analyzed and compared.
In the present work, characteristics of the flow in the cage of a steam turbine bypass control valve for thermal power plant are investigated. Experimental measurement for wall static pressure has been carried out to validate numerical solutions. And, the flowfield is analyzed by solving steady three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. Shear stress transport (SST) model is used as turbulence closure. The effects of the flow area between stages of the cage on the pressure drop are also found.
Compared with pavement structures of ordinary road sections, pavement structures in the intersection are exposed to more complex traffic characteristics which may exacerbates pavement distresses such as fatigue-cracking, shoving, shear deformation and rutting. Based on a field survey about traffic characteristics in the intersection conducted in Shanghai China, a three dimensional dynamic finite-element model was developed for evaluating the mechanistic responses in the pavement structures under different traffic characteristics, namely uniform speed, acceleration and deceleration. The results from this study indicated that : (1) traffic characteristics have significant effects on the distributions of the maximum principal strain (MPS) and the maximum shear stress (MSS) at the pavement surface; (2) vehicle acceleration or deceleration substantially impact the MPS and MSS at pavement surface and could increase the magnitude of them by 20 percent to 260 percent; (3) in the vertical direction, with the increase of vehicle deceleration rate, the location of the MPS peak value and the MSS peak value changes from the sub-surface layer to the pavement surface.
Kim, Soo-Il;Seo, Joo-Won;Yoo, Young-Gyu;Choi, Jun-Sung
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2006.03a
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pp.552-561
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2006
The purpose of this study is to propose a pavement analysis system which considers dynamic effects resulted from the various vehicle speeds. Vehicle loading effects were estimated by loading frequency and dynamic loads under various vehicle speeds. In addition, a proposed analysis model takes the non-linear temperature using a predictive model for dynamic modulus in asphalt layer and the non-linear stress in the unbound material. To examine adequacy of existing multi-layer elastic analysis of non-linear temperature in asphalt layer and non-linear stress conditions in unbound material, this study divided layers of asphalt pavement structures with 10 layers in asphalt, 2 layers in subbase and 1 layer in subgrade. In order to verify the pavement analysis system that considers various speeds, deflections of pavement calculated using ABAQUS, a three dimensional finite element program, were compared with the results of field tests under various speeds.
Additive Manufacturing (AM) is a process that fabricates products by manufacturing materials according to a three-dimensional model. It has recently gained attention due to its environmental advantages, including reduced energy consumption and high material utilization rates. However, controlling defects such as melting issues and residual stress, which can occur during metal additive manufacturing, poses a challenge. The trial-and-error verification of these defects is both time-consuming and costly. Consequently, efforts have been made to develop phenomenological models that understand the influence of process variables on defects, and mechanical/ electrical/thermal properties of geometrically complex products. This paper introduces modeling techniques that can simulate the powder additive manufacturing process. The focus is on representative metal additive manufacturing processes such as Powder Bed Fusion (PBF), Direct Energy Deposition (DED), and Binder Jetting (BJ) method. To calculate thermal-stress history and the resulting deformations, modeling techniques based on Finite Element Method (FEM) are generally utilized. For simulating the movements and packing behavior of powders during powder classification, modeling techniques based on Discrete Element Method (DEM) are employed. Additionally, to simulate sintering and microstructural changes, techniques such as Monte Carlo (MC), Molecular Dynamics (MD), and Phase Field Modeling (PFM) are predominantly used.
Proceedings of the Korean Radioactive Waste Society Conference
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2009.06a
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pp.187-187
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2009
Opening of fractures induced by shear dilation or normal deformation can be a significant source of fracture permeability change in fractured rock, which is important for the performance assessment of geological repositories for spent nuclear fuel. As the repository generates heat and later cools the fluid-carrying ability of the rocks becomes a dynamic variable during the lifespan of the repository. Heating causes expansion of the rock close to the repository and, at the same time, contraction close to the surface. During the cooling phase of the repository, the opposite takes place. Heating and cooling together with the, virgin stress can induce shear dilation of fractures and deformation zones and change the flow field around the repository. The objectives of this work are to examine the contribution of thermal stress to the shear slip of fracture in mid- and far-field around a KBS-3 type of repository and to investigate the effect of evolution of stress on the rock mass permeability. In the first part of this study, zones of fracture shear slip were examined by conducting a three-dimensional, thermo-mechanical analysis of a spent fuel repository model in the size of 2 km $\times$ 2 km $\times$ 800 m. Stress evolutions of importance for fracture shear slip are: (1) comparatively high horizontal compressive thermal stress at the repository level, (2) generation of vertical tensile thermal stress right above the repository, (3) horizontal tensile stress near the surface, which can induce tensile failure, and generation of shear stresses at the comers of the repository. In the second part of the study, fracture data from Forsmark, Sweden is used to establish fracture network models (DFN). Stress paths obtained from the thermo-mechanical analysis were used as boundary conditions in DFN-DEM (Discrete Element Method) analysis of six DFN models at the repository level. Increases of permeability up to a factor of four were observed during thermal loading history and shear dilation of fractures was not recovered after cooling of the repository. An understanding of the stress path and potential areas of slip induced shear dilation and related permeability changes during the lifetime of a repository for spent nuclear fuel is of utmost importance for analysing long-term safety. The result of this study will assist in identifying critical areas around a repository where fracture shear slip is likely to develop. The presentation also includes a brief introduction to the ongoing site investigation on two candidate sites for geological repository in Sweden.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2002.04a
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pp.123-130
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2002
A general formulation for shape design sensitivity analysis over three dimensional beam structure is developed based on a variational formulation of the beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived based on variational equations in cartesian coordinates using the material derivative concept and adjoint variable method for the displacement and Von-Mises stress functionals. Shape variation is considered for the beam shape in general 3-dimensional direction as well as for the orientation angle of the beam cross section. In the sensitivity expression, the end points evaluation at each beam segment is added to the integral formula, which are summed over the entire structure. The sensitivity formula can be evaluated with generality and ease even by employing piecewise linear design velocity field despite the bending model is fourth order differential equation. For the numerical implementation, commercial software ANSYS is used as analysis tool for the primal and adjoint analysis. Once the design variable set is defined using ANSYS language, shape and orientation variation vector at each node is generated by making finite difference to the shape with respect to each design parameter, and is used for the computation of sensitivity formula. Several numerical examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. The results are found excellent even by employing a simple linear function for the design velocity evaluation. Shape optimization is carried out for the geometric design of an archgrid and tilted bridge, which is to minimize maximum stress over the structure while maintaining constant weight. In conclusion, the proposed formulation is a useful and easy tool in finding optimum shape in a variety of the spatial frame structures.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.9
no.3
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pp.229-236
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2016
Exergetic analysis was introduced in optimization of a rotating equilateral triangular internal cooling channel with staggered square ribs to maximize the net exergy gain. The objective function was defined as the net exergy gain considering the exergy gain by heat transfer and exergy losses by friction and heat transfer process. The flow field and heat transfer in the channel were analysed using three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations under the uniform temperature condition. Shear stress transport turbulence model has been selected as a turbulence closure through the turbulence model test. Computational results for the area-averaged Nusselt number were validated compared to the experimental data. Three design variables, i.e., the angle of rib, the rib pitch-to-hydraulic diameter ratio and the rib width-to-hydraulic diameter ratio, were selected for the optimization. The optimization was performed at Reynolds number, 20,000. Twenty-two design points were selected by Latin hypercube sampling, and the values of the objective function were evaluated by the RANS analysis at these points. Through optimization, the objective function value was improved by 22.6% compared to that of the reference geometry. Effects of the Reynolds number, rotation number, and buoyancy parameter on the heat transfer performance of the optimum design were also discussed.
With the wide application of urban subway tunnels, the foundation pits of new stations and existing subway tunnels are becoming increasingly close, and even zero-distance close-fitting construction has taken place. To optimize the construction support scheme, the existing tunnel's vertical displacement is theoretically analyzed using the two-stage analysis method to understand the action mechanism of the construction of zero-distance deep large foundation pits on both sides of the existing stations; a three-dimensional numerical calculation is also performed for further analysis. First, the additional stress field on the existing tunnel caused by the unloading of zero-distance foundation pits on both sides of the tunnel is derived based on the Mindlin stress solution of a semi-infinite elastic body under internal load. Then, considering the existing subway tunnel's joints, shear stiffness, and shear soil deformation effect, the tunnel is regarded as a Timoshenko beam placed on the Kerr foundation; a sixth-order differential control equation of the tunnel under the action of additional stress is subsequently established for solving the vertical displacement of the tunnel. These theoretical calculation results are then compared with the numerical simulation results and monitoring data. Finally, an optimized foundation pit support scheme is obtained considering the pit corner effect and external corner failure mode. The research shows a high consistency between the monitoring data,analytical and numerical solution, and the closer the tunnel is to the foundation pit, the more uplift deformation will occur. The internal corner of the foundation pit can restrain the deformation of the tunnel and the retaining structure, while the external corner can cause local stress concentration on the diaphragm wall. The proposed optimization scheme can effectively reduce construction costs while meeting the safety requirements of foundation pit support structures.
In the high-temperature and high-pressure irradiation environments, the multi-field coupling processes of hydrogen diffusion, hydride precipitation and mechanical deformation in Zircaloy cladding tubes occur. To simulate this hydrogen-induced complex behavior, a multi-field coupling method is developed, with the irradiation hardening effects and hydride-precipitation-induced expansion and hardening effects involved in the mechanical constitutive relation. The out-pile tests for a cracked cladding tube after irradiation are simulated, and the numerical results of the multi-fields at different temperatures are obtained and analyzed. The results indicate that: (1) the hydrostatic stress gradient is the fundamental factor to activate the hydrogen-induced multi-field coupling behavior excluding the temperature gradient; (2) in the local crack-tip region, hydrides will precipitate faster at the considered higher temperatures, which can be fundamentally attributed to the sensitivity of TSSP and hydrogen diffusion coefficient to temperature. The mechanism is partly explained for the enlarged velocity values of delayed hydride cracking (DHC) at high temperatures before crack arrest. This work lays a foundation for the future research on DHC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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