The purpose of this paper is to find a more accurate method to evaluate pedestrian wind by computational fluid dynamics approach. Previous computational fluid dynamics studies of wind environmental problems were mostly performed by simplified models, which only use simple geometric shapes, such as cubes and cylinders, to represent buildings and structures. However, to have more accurate and complete evaluation results, various shapes of blocking objects, such as trees, should also be taken into consideration. The aerodynamic effects of these various shapes of objects can decrease wind velocity and increase turbulence intensity. Previous studies simply omitted the errors generated from these various shapes of blocking objects. Adding real geometrical trees to the numerical models makes the calculating domain of CFD very complicated due to geometry generation and grid meshing problems. In this case the function of Porous Media Condition can solve the problem by adding trees into numerical models without increasing the mesh grids. The comparison results between numerical and wind tunnel model are close if the parameters of porous media condition are well adjusted.
The Finite Element Solutions Is reported on solid-liquid phase change in porous media with natural convection including freezing. The model is based on volume averaged transport equations, while phase change is assumed to occur over a small temperature range. The FEM (Finite Element Method) algorithm used in this study is 3-step time-splitting method which requires much less execution time and computer storage the velocity-pressure integrated method and the penalty method. And the explicit Lax-Wendroff scheme is applied to nonlinear convective term in the energy equation. For natural convection including melting and solidification the numerical results show reasonable agreement with FDM (Finite Difference Method) results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.40
no.11
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pp.689-695
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2016
The performance of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) is strongly related to the water flow and accumulation in the gas diffusion layer (GDL) and catalyst layer. Understanding the behavior of fluid from the characteristics of the media is crucial for the improvement of the performance and design of the GDL. In this paper, a numerical method is proposed to calculate the design parameters of the GDL, i.e., permeability, tortuosity, and effective diffusivity. The fluid flow in a channel filled with randomly packed hard spheres is simulated to validate the method. The flow simulation was performed by lattice Boltzmann method with bounce back condition for the solid volume fraction in the porous media, with different values of porosities. Permeability, which affects the flow, was calculated from the average pressure drop and the velocity in the porous media. Tortuosity, calculated by the ratio the average path length of the randomly injected massless particles to the thickness of the porous media, and the resultant effective diffusivity were in good agreement with the theoretical model. The suggested method can be used to calculate the parameters of real GDL accurately without any modification.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.3
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pp.685-693
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1990
The heat transfer coefficients were calculated numerically to see the effects of radiation around the porous medium put on the flat plate at a distance from the leading edge of flat plate for the two-dimensional laminar flows. To verify the analytical model developed and invoke the heat/mass transfer analogy, an experiment was carried out using naphthalene sublimation technique. From the effects of the wake, Sherwood number is maximum around the region where the porous medium is attached. The theoretical results correspond well with the experimental results at small Darcy number. Permeability of ceramic blocks used for experiment was also measured and the Forchheimer equation is applicable in our measurement range.
The generalized thermoelastic analysis problem of a two-dimension porous medium with and without energy dissipation are obtained in the context of Green-Naghdi's (GNIII) model. The exact solutions are presented to obtain the studying fields due to the pulse heat flux that decay exponentially in the surface of porous media. By using Laplace and Fourier transform with the eigenvalues scheme, the physical quantities are analytically presented. The surface is shocked by thermal (pulse heat flux problems) and applying the traction free on its outer surfaces (mechanical boundary) through transport (diffusion) process of temperature to observe the analytical complete expression of the main physical fields. The change in volume fraction field, the variations of the displacement components, temperature and the components of stress are graphically presented. Suitable discussion and conclusions are presented.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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v.20
no.3
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pp.243-259
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2016
The Richards equation for water movement in unsaturated soil is highly nonlinear partial differential equations which are not solvable analytically unless unrealistic and oversimplifying assumptions are made regarding the attributes, dynamics, and properties of the physical systems. Therefore, conventionally, numerical solutions are the only feasible procedures to model flow in partially saturated porous media. The standard Finite element numerical technique is usually coupled with an Euler time discretizations scheme. Except for the fully explicit forward method, any other Euler time-marching algorithm generates nonlinear algebraic equations which should be solved using iterative procedures such as Newton and Picard iterations. In this study, lumped mass and distributed mass in the frame of Picard and Newton iterative techniques were evaluated to determine the most efficient method to solve the Richards equation with finite element model. The accuracy and computational efficiency of the scheme and of the Picard and Newton models are assessed for three test problems simulating one-dimensional flow processes in unsaturated porous media. Results demonstrated that, the conventional mass distributed finite element method suffers from numerical oscillations at the wetting front, especially for very dry initial conditions. Even though small mesh sizes are applied for all the test problems, it is shown that the traditional mass-distributed scheme can still generate an incorrect response due to the highly nonlinear properties of water flow in unsaturated soil and cause numerical oscillation. On the other hand, non oscillatory solutions are obtained and non-physics solutions for these problems are evaded by using the mass-lumped finite element method.
Soils consist of an assemblage of particles with different sizes and shapes which form a skeleton whose voids are filled with water and air. Hence, soil behaviour must be analyzed by incorporating the effects of the transient flow of the pore-fluid through the voids, and therefore requires a two-phase continuum formulation for saturated porous media. The present paper presents briefly the Biot's basic theory of dynamics of saturated porous media with u-P formulation to determine the responses of pore fluid and soil skeleton during cyclic loading. Kelvin elements are attached to transmitting boundary. The Pastor-Zienkiewicz-Chan model has been used to describe the inelastic behavior of soils under isotropic cyclic loadings. Newmark-Beta method is employed to discretize the time domain. The response of fluid-saturated porous media which are subjected to time dependent loads has been simulated numerically to predict the liquefaction potential of a semi-infinite saturated sandy layer using finite-infinite elements. A settlement of 17.1 cm is observed at top surface. It is also noticed that liquefaction occurs at shallow depth. The mathematical advantage of the coupled finite element analysis is that the excess pore pressure and displacement can be evaluated simultaneously without using any empirical relationship.
Flame stabilization characteristics of premixed flames in narrow annular coaxial tubes (NACT) were investigated experimentally. The NACT burner was proposed as a model of a cylindrical refractory burner, and it was made of quartz tubes. Flame stabilization conditions affected by the characteristic length of the burner was investigated with the variation of the equivalence ratio and the flow rates. Flame behaviors in narrow spaces could be directly observed. Conclusively, more wide flame stabilization conditions could be obtained at the case of the decreased channel scale. A flame instability, such as combustion noise was detected concerned with the flame oscillation observed at the surface of multi channel stage. Some flame propagation characteristics had complicated tendencies that may exist in practical porous-media combustors. Therefore, this NACT burner can be a basic configuration for the development of flame stabilization model in porous media combustor, and it will enhance our understanding about the behavior of flames in meso-scale combustion spaces.
The presence of the pore fluid strongly influences the reponse of the soil subjected to external loading and in many cases increases the risk of final failure. In this paper, we propose the use of a discrete beam lattice model with the aim to investigate the coupling effects of the solid and fluid phase on the response and failure mechanisms in the saturated soil. The discrete cohesive link lattice model used in this paper, is based on inelastic Timoshenko beam finite elements with enhanced kinematics in axial and transverse direction. The coupling equations for the soil-pore fluid interaction are derived from Terzaghi's principle of effective stresses, Biot's porous media theory and Darcy's law for fluid flow through porous media. The application of the model in soil mechanics is illustrated through several numerical simulations.
Accurate prognoses of the durability of concrete structures require a detailed description of the continuously running aging processes and a consideration of the complete load history. Therefore, in the framework of continuous porous media mechanics a model is developed, which allows a detailed analysis of the most important aging processes of concrete as well as a flexible coupling of different processes. An overview of the prediction model and the balance equations is given. The material dependent model equations, the consequences of coupling different processes and the solution scheme are discussed. In two case studies the aging of concrete due to hydration and chloride penetration are presented, which illustrate the capabilities and the characteristics of the developed model.
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