The influence of windbreak to minimize the ventilation velocity near the plant canopy of a greenhouse strawberry was thoroughly investigated using computational fluid dynamics (CFD) technology. Windbreaks were constructed surrounding the plant canopy to control ventilation and maintain the concentration of the supplied $CO_2$ from the soil surface close to the strawberry plants. The influence of no windbreak, 0.15 m and 0.30 m height windbreaks with varied air velocity of 0.5, 1.0 and 1.5 m/s were simulated in the study. The concentrations of supplied $CO_2$ within the plant canopy of were measured. To simplify the model, plants were not included in the final model. Considering 1.0m/s wind velocity which is the normal wind velocity of greenhouses, the concentrations of $CO_2$ were approximately 420, 580 and 653 ppm ($1{\times}10^{-9}kg/m^3$) for no windbreak, 0.15 and 0.30 m windbreak height, respectively. Considering that the maximum concentration of $CO_2$ for the strawberry plants was around 600-800 ppm, the 0.30 m windbreak height is highly recommended. This study revealed that the windbreak was very effective in preserving $CO_2$ gas within the plant canopy. More so, the study also proved that the CFD technique can be used to determine the concentration of $CO_2$ within the plant canopy for the plants consumption at any designed condition. For an in-depth application of this study, the plants as well as the different conditions for $CO_2$ utilization, etc. should be considered.
Seungri Yoon;Jin Hyun Kim;Minju Shin;Dongpil Kim;Ji Wong Bang;Ho Jeong Jeong;Tae In Ahn
Journal of Bio-Environment Control
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v.32
no.1
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pp.48-56
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2023
High-pressure sodium (HPS) lamps have been widely used as a useful supplemental light source to emit sufficient photosynthetically active radiation and provide a radiant heat, which contribute the heat requirement in greenhouses. The objective of this study to analyze the thermal characteristics of HPS lamp and thermal behavior in supplemented greenhouse, and evaluate the performance of a horizontal leaf temperature of sweet pepper plants using computational fluid dynamics (CFD) simulation. We simulated horizontal leaf temperature on upper canopy according to three growth stage scenarios, which represented 1.0, 1.6, and 2.2 plant height, respectively. We also measured vertical leaf and air temperature accompanied by heat generation of HPS lamps. There was large leaf to air temperature differential due to non-uniformity in temperature. In our numerical calculation, thermal energy of HPS lamps contributed of 50.1% the total heat requirement on Dec. 2022. The CFD model was validated by comparing measured and simulated data at the same operating condition. Mean absolute error and root mean square error were below 0.5, which means the CFD simulation values were highly accurate. Our result about vertical leaf and air temperature can be used in decision making for efficient thermal energy management and crop growth.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.22
no.2
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pp.91-99
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2014
The common-rail injectors are the most critical component of the CRDI diesel engines that dominantly affect engine performances through high pressure injection with exact control. Thus, from now on the advanced combustion technologies for common-rail diesel injection engine require high performance fuel injectors. Accordingly, the previous studies on the numerical and experimental analysis of the diesel injector have focused on a optimum geometry to induce proper injection rate. In this study, computational predictions of performance of the diesel injector have been performed to evaluate internal flow characteristics for various needle lift and the spray pattern at the nozzle exit. To our knowledge, three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model of the internal flow passage of an entire injector duct including injection and return routes has never been studied. In this study, major design parameters concerning internal routes in the injector are optimized by using a CFD analysis and Response Surface Method (RSM). The computational prediction of the internal flow characteristics of the common-rail diesel injector was carried out by using STAR-CCM+7.06 code. In this work, computations were carried out under the assumption that the internal flow passage is a steady-state condition at the maximum needle lift. The design parameters are optimized by using the L16 orthogonal array and polynomial regression, local-approximation characteristics of RSM. Meanwhile, the optimum values are confirmed to be valid in 95% confidence and 5% significance level through analysis of variance (ANOVA). In addition, optimal design and prototype design were confirmed by calculating the injection quantities, resulting in the improvement of the injection performance by more than 54%.
Permeation grouting effectively enhances soil strength and decreases permeability of soil; however, the flow of grout is heavily affected by anisotropy of hydraulic conductivity in layers. Therefore, this study investigates the effect of permeability anisotropy on the effective radius of horizontal permeation grout using computational fluid dynamics (CFD). We modeled the horizontal permeation grout flow as a two-phase viscous fluid flow in porous media, and the model incorporated the chemical diffusion and the viscosity variation due to hardening. The numerical simulation reveals that the permeability anisotropy shapes the grout bulb to be elliptic and the dissolution-driven diffusion causes a gradual change in grout pore saturation at the edge of the grout bulb. For the grout pore saturations of 10%, 50% and 90%, the horizontal and vertical radii of grout bulb are estimated when the horizontal-to-vertical permeability ratio varies from 0.01 to 100, and the predictive model equations are suggested. This result contributes to more efficient design of injection strategy in formation layers with permeability anisotropy.
Kim, Tae-Young;Jeon, Gyu-Mok;Ock, Dae-Kyung;Park, Jong-Chun
Journal of the Korean Society for Marine Environment & Energy
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v.20
no.2
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pp.107-116
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2017
When drilling operation is being performed, many physical and chemical changes are occurred near wellbore. To handle various changes of well condition and keep drilling process safe, additives of bulk, such as bentonite for increasing density of drilling mud, barite for increasing viscosity of drilling mud, polymer for chemical control, or surfactant, are added into drilling mud through a mud shear mixer. Because the achievement of the required material property through mud mixing system is essential to stabilize drilling system, it is of importance to analyze multi-phase flow during mud mixing process, which is directly related to increase mixing performance of the system and guarantee the safety of the whole drilling system. In this study, a series of liquid-solid flow simulation based on a computational fluid dynamics (CFD) are performed with comparing to solid concentration in experiment by Gilles et al. [2004] to understand the characteristics of liquid-solid mixing in a mud shear mixer. And then, the simulation-based design of shear mixer are carried out to improve mixing performance in a mud handling system.
Joo, Sang Yeon;Oh, Kwang Cheol;Lee, Sang Yeol;Cho, La Hoon;Park, Sun Yong;Lee, Seo Hyeon;Jeong, In Seon;Lee, Chung Geon;Kim, Dae Hyun
Proceedings of the Korean Society for Agricultural Machinery Conference
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2017.04a
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pp.34-34
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2017
목질계바이오매스 중 목재펠릿은 '탄소중립(Carbon Neutral)' 연료로써 온실가스 감축 의무에 대응 가능한 에너지원이다. 하지만 목질계바이오매스 연소 시 발생되는 타르는 보일러 내부에 누적되어 효율을 감소시킨다. 타르 및 연소 불꽃에 의한 효율 감소를 최소화하기 위해 반대측면에 내화재(Castable)를 적용하여 실험하였으며 시뮬레이션을 이용하여 구조변경 분석이 실시되었다. 적용된 내화재는 비중이 낮고 단열성이 우수하여 열손실을 막아 연료비 절감의 효과를 가져 오며, 연소실 내부 청소 면적 감소로 인한 경제적 효과도 기대 할 수 있다. 분석결과를 이용하여 최적화된 펠릿보일러가 제작되었으며, 실험을 통하여 200시간 가동 후 열효율 감소량이 나타났다. 단위시간별 동일한 외부환경(산화제량, 부하, 주변 온도, 펠릿소비량)에서 실험이 진행 되었으며, 타르생성이전(Non-tar), 이후(Tar-existence) 보일러의 열효율 성능 비교실험이 실시되었다. 실험결과 타르생성이전 조건에서 구조변경 전 후 보일러의 열효율은 각각 91.87%, 90.73%로 확인되었으며, 타르생성이후 조건에서 각각 82.68%, 83.27%의 열효율을 확인하였다. 타르생성이전 대비 이후 조건에서 열효율 감소량은 각각 9.19%p, 7.46%p로 구조변경 전 대비 변경 후 보일러의 열효율이 약 1.73%p 더 적게 감소됨을 확인되었으며, 시뮬레이션 결과 타르생성이전 조건에서 구조변경 전 후 보일러의 효율은 각각 91.83%, 92.05%로 확인되었으며 타르 생성이후 조건에서 각각 85.25%, 87.43%의 열효율을 확인하였다. 타르생성이전 대비 이후 조건에서 열효율 감소량은 각각 6.58%, 4.62%로 구조변경 전 대비 변경 후 보일러의 열효율이 약 1.96%p 더 적게 감소됨을 확인하였다.
In this study, we developed a new algorithm which can construct model buildings used as a surface boundary in numerical models using GIS with latitudinal and longitudinal information of building vertices. The algorithm established the outer boundary of a building first, by finding segments passing neighboring two vertices of the building and connecting the segments. Then, the algorithm determined the region inside the outer boundary as the building. The new algorithm overcame the limit that the algorithm developed in the previous study had in constructing concave buildings. In addition, the new algorithm successfully constructed a building with complicated shape. To investigate effects of the modification in building shape caused by the building-construction algorithm on flows and pollutant dispersion around buildings, a computational fluid dynamics model was used and three kinds of building type were considered. In the downwind region, patterns in flow and pollutant dispersion were little affected by the modification in building shape caused. However, because of reduction in air space resulted from the building-shape modification, vortex structure was not resolved or smaller vortex was resolved near the buildings. The changes in flow pattern affected dispersion patterns of scalar pollutants emitted around the buildings.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea CI
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v.48
no.1
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pp.90-100
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2011
We present a parallel bi-conjugate gradient (Bi-CG) matrix solver for large scale Bio-FET simulations based on recent graphics processing units (GPUs) which can realize a large-scale parallel processing with very low cost. The proposed method is focused on solving the Poisson equation in a parallel way, which requires massive computational resources in not only semiconductor simulation, but also other various fields including computational fluid dynamics and heat transfer simulations. As a result, our solver is around 30 times faster than those with traditional methods based on single core CPU systems in solving the Possion equation in a 3D FDM (Finite Difference Method) scheme. The proposed method is implemented and tested based on NVIDIA's CUDA (Compute Unified Device Architecture) environment which enables general purpose parallel processing in GPUs. Unlike other similar GPU-based approaches which apply usually 32-bit single-precision floating point arithmetics, we use 64-bit double-precision operations for better convergence. Applications on the CUDA platform are rather easy to implement but very hard to get optimized performances. In this regard, we also discuss the optimization strategy of the proposed method.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.41
no.3
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pp.209-215
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2017
A large floating offshore wind-wave hybrid power generation system with an area of 150 m2 and four 3 MW class wind turbine generators was installed at each column top. In accordance with the wind turbine arrangement, the wake generated from upstream turbines can adversely affect the power performance and load characteristics of downstream turbines. Therefore, an optimal arrangement design, obtained through a detailed flow analysis focusing on wake interference, is necessary. In this study, to determine the power characteristics and annual energy production (AEP) of individual wind turbines, transient computational fluid dynamics, considering wind velocity variation (8 m/s, 11.7 m/s, 19 m/s, and 25 m/s), was conducted under different platform conditions ($0^{\circ}$, $22.5^{\circ}$, and $45^{\circ}$). The AEP was calculated using a Rayleigh distribution, depending on the wind turbine arrangement. In addition, we suggested an optimal arrangement design to minimize wake losses, based on the AEP.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.8
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pp.783-789
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2012
In this study, turbulent flow and heat transfer characteristics in a helically coiled tube have been numerically investigated. Helically coiled tubes are commonly used in heat exchange systems to enhance the heat transfer rate. Accordingly, they have been widely studied experimentally; however, most studies have focused on the pressure drop and heat transfer correlations. The centrifugal force caused by a helical tube increases the wall shear stress and heat transfer rate on the outer side of the helical tube while decreasing those on the inner side of the tube. Therefore, this study quantitatively shows the variation of the local Nusselt number and friction factor along the circumference at the wall of a helical tube by varying the coil diameter and Reynolds number. It is seen that the local heat transfer rate and wall shear stress greatly decrease near the inner side of the tube, which can affect the safety of the tube materials. Moreover, this study verifies the previous experimental correlations for the friction factor and Nusselt number, and it shows that the correlation between the two in a straight tube can be applied to a helical tube. It is expected that the results of this study can be used as important data for the safety evaluation of heat exchangers and steam generators.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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