Boundary conditions for thermal-hydraulic problems of soils play an essential role in the numerical accuracy. This study presents a boundary condition considering the thermo-hydraulic interaction between the ground and the atmosphere. Ground surface energy balance consists of solar radiation, ground radiation, wind convection, latent heat from water evaporation, and heat conduction to the ground. Equations for each heat flux are presented, and numerical analyses are performed in conjunction with the FEM program for the thermal-hydraulic phenomenon of unsaturated soils. Numerical results using the weather data at the Ulsan Meteorological Observatory are similar to the measured surface temperature. Latent heat caused by water evaporation during the daytime lowers the surface temperature of the bare soil, and a thermal equilibrium is reached at nighttime when the effect of the ground condition is significantly reduced. The temperature change of the surface ground is diminished at the deeper ground due to its thermal diffusion. Numerical analysis where the surface ground temperature is the primary concern requires considering the thermo-hydraulic interaction between the ground and the atmosphere.
A new approach of analyzing the displacements and stress of the surrounding rock for shallow tunnels excavated under non-axisymmetric displacement boundary conditions on a vertical surface is investigated in this study. In the proposed approach, by using a virtual image technique, the shear stress of the vertical ground surface is revised to be zero, and elastic solutions of the surrounding rock are obtained before stress revision. To revise the vertical normal stress and shear stress of horizontal ground surface generated by the combined action of the actual and image sinks, the harmonic functions and corresponding stress function solutions were adopted. Based on the Boussinesq's solutions and integral method, the horizontal normal stress of the vertical ground surface is revised to be zero. Based on the linear superposition principle, the final solution of the displacements and stress were proposed by superimposing the solutions obtained by the virtual image technique and the stress revision on the horizontal and vertical ground surfaces. Furthermore, the ground settlements and lateral displacements of the horizontal and vertical ground surfaces are derived by the proposed approach. The proposed approach was well verified by comparing with the numerical method. The discussion based on the proposed approach in the manuscript shows that smaller horizontal ground settlements will be induced by lower tunnel buried depths and smaller limb distances. The proposed approach for the displacement and stress of the surrounding rocks can provide some practical information about the surrounding rock stability analysis of shallow tunnels excavated under non-axisymmetric displacement boundary conditions on a vertical surface.
The dispersion of suspended particulates in the coastal complex terrain of mountain-inland basin (city)-sea, considering their recycling was investigated using three-dimensional non-hydrostatic numerical model and lagrangian particle model (or random walk model). Convective boundary layer under synoptic scale westerly wind is developed with a thickness of about I km over the ground in the west of the mountain, while a thickness of thermal internal boundary layer (TIBL) is only confined to less than 200m along the eastern slope of the mountain, below an easterly sea breeze circulation. At the mid of the eastern slop of the mountain, westerly wind confronts easterly sea breeze, which goes to the height of 1700 m above sea level and is finally eastward return flow toward the sea. At this time, particulates floated from the ground surface of the city to the top of TIBL go along the eastern slope of the mountain in the passage of sea breeze, being away the TIBL and reach near the top of the mountain. Then those particulates disperse eastward below the height of sea-breeze circulation and widely spread out over the coastal sea. Total suspended particulate concentration near the ground surface of the city is very low. On the other hand, nighttime radiative cooling produces a shallow nocturnal surface inversion layer (NSIL) of 200 m thickness over the inland surface, but relatively thin thickness less than 100m is found near the mountain surface. As synoptic scale westerly wind should be intensified under the association of mountain wind along the eastern slope of mountain to inland plain and further combine with land-breeze from inland plain toward sea, resulting in strong wind as internal gravity waves with a hydraulic jump motion bounding up to about 1km upper level in the atmosphere in the west of the city and becoming a eastward return flow. Simultaneously, wind near the eastern coastal side of the city was moderate. Since the downward strong wind penetrated into the city, the particulate matters floated near the top of the mountain in the day also moved down along the eastern slope of the mountain, reaching the. downtown and merging in the ground surface inside the NSIL with a maximum ground level concentration of total suspended particulates (TSP) at 0300 LST. Some of them were bounded up from the ground surface to the 1km upper level and the others were forward to the coastal sea surface, showing their dispersions from the coastal NSIL toward the propagation area of internal gravity waves. On the next day at 0600 LST and 0900 LST, the dispersed particulates into the coastal sea could return to the coastal inland area under the influence of sea breeze and the recycled particulates combine with emitted ones from the ground surface, resulting in relatively high TSP concentration. Later, they float again up to the thermal internal boundary layer, following sea breeze circulation.
An one dimensional atmosphere-vegetation interaction model is developed to discuss of the effect of vegetation on heat flux in mesoscale planetary boundary layer. The canopy model was a coupled system of three balance equations of energy, moisture at ground surface and energy state of canopy with three independent variables of $T_f$(foliage temperature), $T_g$(ground temperature) and $q_g$(ground specific humidity). The model was verified by comparative study with OSUID(Oregon State University One Dimensional Model) proved in HYPEX-MOBHLY experiment. As the result, both vegetation and soil characteristics can be emphasized as an important factor iii the analysis of heat flux in the boundary layer. From the numerical experiments, following heat flux characteristics are clearly founded simulation. The larger shielding factor(vegetation) increase of $T_f$ while decrease $T_g$. because vegetation cut solar radiation to ground. Vegetation, the increase of roughness and resistance, increase of sensible heat flux in foliage while decrease the latent heat flux in the foliage.
The steady aerodynamic characteristics of a wing flying over a channel are investigated using a boundary-element method. The present method is validated by comparing the computed results with the measured data. Compared with a flat ground surface, the channel fence augmented the lift increase and induced drag reduction. When the fence is lower than the wing height, the gap between the wingtip and the fence does not affect the aerodynamic characteristics of the wing much. When the fence is higher than the wing height, the close gap increased the lift. The induced drag is reduced when the wing is placed near the ground or at the same height as the fence. It is believed that present results can be used in the conceptual design of the high-speed ground transporters flying over the channel.
Soil freezing is a phenomenon arising due to temperature difference between atmosphere and ground, and physical properties of soils vary upon the phase change of soil void from liquid to solid (ice). A heat-transfer mechanism for this case can be explained by the conduction in soil layers and the convection on ground surface. Accordingly, the evaluation of proper thermal properties of soils and the convective condition of ground surface is an important task for understanding freezing phenomenon. To describe convection on ground surface, simplified coefficient methods can be applied to deal with various conditions, such as atmospheric temperature, surface vegetation conditions, and soil constituents. In this study, two methods such as n-factor and convection coefficient for the convective ground surface boundary were applied within a commercial numerical program (TEMP/W) for modeling soil freezing phenomenon. Furthermore, the numerical results were compared to laboratory testing results. In the series of the comparison results, the convection coefficient is more appropriate than n-factor method to model the convective boundary condition.
An one dimensional atmosphere-canopy-soil interaction model is developed to estimate of the heat budget parameter in the atmospheric boundary layer. The canopy model is composed of the three balance equations of energy, temperature, moisture at ground surface and canopy layer with three independent variables of Tf(foliage temperature), Tg(ground temperature), and qg(ground specific humidity). The model was verilied by comparative study with OSUID(Oregon State University One Dimensional Model) proved in HAPEX-MOBILHY experiment. Also we applied this model in two dimensional land-sea breeze circulation. According to the results of this study, surface characteristics considering canopy acted importantly upon the simulation of meso-scale circulation. The factors which used in the numerical experiment are as follows ; the change for a sort of soil(sand and peat), the change for shielding factor, and the change for a kind of vegetation.
The aerodynamic interaction between a wing and a rail is investigated using a boundary-element method. The source and doublet singularities are distributed on the wing and its guide-way rail surface. The unknown strengths of the singularities are determined by inverting the aerodynamic influence coefficient matrices. Present method is validated by comparing computed results with the other numerical data. Rail width and rail height affect the aerodynamic characteristics of the wing only if the rail is narrower than the wing span. Although the present results are limited to the inviscid, irrotational flows, it is believed that the present method can be applied to the conceptual design of the high speed ground transporters moving over the rail.
Sensitivity experiments of WRF model using different planetary boundary layer (PBL) and land surface model (LSM) parameterizations are evaluated for prediction of wind fields within the surface layer. The experiments were performed with three PBL schemes (YSU, Pleim, MYJ) in combination with three land surface models (Noah, RUC, Pleim). The WRF model was conducted on a nested grid from 27-km to 1-km horizontal resolution. The simulations validated wind speed and direction at 10 m and 80 m above ground level at a 1-km spatial resolution over the South Korea. Statistical verification results indicate that Pleim and YSU PBL schemes are in good agreement with observations at 10 m above ground level, while the MYJ scheme produced predictions similar to the observed wind speed at 80 m above ground level. LSM comparisons indicate that the RUC model performs best in predicting 10-m and 80-m wind speed. It is found that MYJ (PBL) - RUC (LSM) simulations yielded the best results for wind field in the surface layer. The choice of PBL and LSM parameterization will contribute to more accurate wind predictions for air quality studies and wind power using WRF.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.5
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pp.369-374
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2007
Unsteady aerodynamic characteristics of the wing with flaperon flying over nonplanar ground surface are investigated using a boundary-element method. The time-stepping method is used to simulate the wake shape according to the motion of the wing and flaperon over the surface or in the channel. The aerodynamic coefficient according to the periodic motion of the flaperon is shown as the shape of loop. The rolling moment coefficient of the wing flying in the channel is same as that of the wing flying over the ground surface. The variation range of pitching moment is wider when the wing flies in the channel than over the ground surface. The present method can provide various aerodynamic derivatives to secure the stability of superhigh speed vehicle flying over nonplanar ground surface using the present method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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