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.
A new ionic mass transfer correlation is derived for the fluid-saturated, horizontal porous layer. Darcy-Forchheimer model is used to explain characteristics of fluid motion. Based on the microscales of turbulence a backbone mass transfer relation is derived as a function of the Darcy-Rayleigh number, $Ra_D$ and the porous medium Schmidt number, $Sc_p$. For the Darcy's limit of $Sc_p{\gg}Ra_D$, the Sherwood number, Sh is a function of $Ra_D$ only. However, for the region of high $Ra_D$, Sh can be related with $Ra_DSc_p$. Based on the present backbone equation and the electrochemical mass transfer experiments which are electro plating or electroless plating, the new ionic mass transfer correlation is suggested in the porous media.
한국지구물리탐사학회 2003년도 Proceedings of the international symposium on the fusion technology
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pp.703-710
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2003
In the sub-surface environments, detection of the movement of contaminant substances and recharge of groundwater by rainfall are very important factors which contain porosity and effective porosity of porous media. In this paper, the applicability of permittivity methods and proposed dielectric mixing models (DDMs) are discussed. This study showed that the ratio of effective porosity to porosity of Toyoura and River sands were 0.856 and 0.843. From the relationships between the relative porosity and effective porosity, all measured values can be confirmed to outside the range to about 0.800 for Toyoura and River sands under all experiments by FDR and FDR-V systems. In the study, this permittivity equipment can be considered to be good enough to measure determining the physical parameters of saturated soils. Consequently, this permittivity method can be contributed to estimate a porosity and effective porosity of saturated porous media because it is easy and instantaneous than previous in-situ methods.
In this paper, FETI(Finite Element Tearing and Interconnecting) method is introduced in order to improve numerical efficiency of Staggered method. The porous media theory, the Staggered method and the FETI method are briefly introduced in this paper. In addition, we account for the MPI(Message Passing Interface) library for parallel analysis, and the proposed combined Staggered method with FETI method. Finally Lagrange multipliers and CG(Conjugate Gradient) algorithm to solve decomposed domain are proposed, and then the proposed method is verified to be numerically efficient by MPI library.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제20권3호
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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.
Tasiopoulou, Panagiota;Taiebat, Mahdi;Tafazzoli, Nima;Jeremic, Boris
Coupled systems mechanics
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제4권1호
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pp.67-98
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2015
Numerical prediction of dynamic behavior of fully coupled saturated porous media is of great importance in many engineering problems. Specifically, static and dynamic response of soils - porous media with pores filled with fluid, such as air, water, etc. - can only be modeled properly using fully coupled approaches. Modeling and simulation of static and dynamic behavior of soils require significant Verification and Validation (V&V) procedures in order to build credibility and increase confidence in numerical results. By definition, Verification is essentially a mathematics issue and it provides evidence that the model is solved correctly, while Validation, being a physics issue, provides evidence that the right model is solved. This paper focuses on Verification procedure for fully coupled modeling and simulation of porous media. Therefore, a complete Solution Verification suite has been developed consisting of analytical solutions for both static and dynamic problems of porous media, in time domain. Verification for fully coupled modeling and simulation of porous media has been performed through comparison of the numerical solutions with the analytical ones. Modeling and simulation is based on the so called, u-p-U formulation. Of particular interest are numerical dispersion effects which determine the level of numerical accuracy. These effects are investigated in detail, in an effort to suggest a compromise between numerical error and computational cost.
Tasiopoulou, Panagiota;Taiebat, Mahdi;Tafazzoli, Nima;Jeremic, Boris
Coupled systems mechanics
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제4권1호
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pp.37-65
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2015
Modeling and simulation of mechanical response of infrastructure object, solids and structures, relies on the use of computational models to foretell the state of a physical system under conditions for which such computational model has not been validated. Verification and Validation (V&V) procedures are the primary means of assessing accuracy, building confidence and credibility in modeling and computational simulations of behavior of those infrastructure objects. Validation is the process of determining a degree to which a model is an accurate representation of the real world from the perspective of the intended uses of the model. It is mainly a physics issue and provides evidence that the correct model is solved (Oberkampf et al. 2002). Our primary interest is in modeling and simulating behavior of porous particulate media that is fully saturated with pore fluid, including cyclic mobility and liquefaction. Fully saturated soils undergoing dynamic shaking fall in this category. Verification modeling and simulation of fully saturated porous soils is addressed in more detail by (Tasiopoulou et al. 2014), and in this paper we address validation. A set of centrifuge experiments is used for this purpose. Discussion is provided assessing the effects of scaling laws on centrifuge experiments and their influence on the validation. Available validation test are reviewed in view of first and second order phenomena and their importance to validation. For example, dynamics behavior of the system, following the dynamic time, and dissipation of the pore fluid pressures, following diffusion time, are not happening in the same time scale and those discrepancies are discussed. Laboratory tests, performed on soil that is used in centrifuge experiments, were used to calibrate material models that are then used in a validation process. Number of physical and numerical examples are used for validation and to illustrate presented discussion. In particular, it is shown that for the most part, numerical prediction of behavior, using laboratory test data to calibrate soil material model, prior to centrifuge experiments, can be validated using scaled tests. There are, of course, discrepancies, sources of which are analyzed and discussed.
In this paper, we present a numerical model for fluid-structure interaction between structure built of porous media and acoustic fluid, which provides both pore pressure inside porous media and hydrodynamic pressures and hydrodynamic forces exerted on the upstream face of the structure in an unified manner and simplifies fluid-structure interaction problems. The first original feature of the proposed model concerns the structure built of saturated porous medium whose response is obtained with coupled discrete beam lattice model, which is based on Voronoi cell representation with cohesive links as linear elastic Timoshenko beam finite elements. The motion of the pore fluid is governed by Darcy's law, and the coupling between the solid phase and the pore fluid is introduced in the model through Biot's porous media theory. The pore pressure field is discretized with CST (Constant Strain Triangle) finite elements, which coincide with Delaunay triangles. By exploiting Hammer quadrature rule for numerical integration on CST elements, and duality property between Voronoi diagram and Delaunay triangulation, the numerical implementation of the coupling results with an additional pore pressure degree of freedom placed at each node of a Timoshenko beam finite element. The second original point of the model concerns the motion of the outside fluid which is modeled with mixed displacement/pressure based formulation. The chosen finite element representations of the structure response and the outside fluid motion ensures for the structure and fluid finite elements to be connected directly at the common nodes at the fluid-structure interface, because they share both the displacement and the pressure degrees of freedom. Numerical simulations presented in this paper show an excellent agreement between the numerically obtained results and the analytical solutions.
일반적으로 포화지반의 동적거동을 정확히 예편하기 위해서는 다공성(multi-phase) 재료모델과 그 모델을 이용하는 수치해석 프로그램의 개발이 필요하다. 본 논문에서는 높은 동하중을 받는 다공질 재료의 이론적인 거동해석 연구결과와 함께 기존 MPDAP(multi-phase dynamic analysis program)에 JWL(Jones-Withins-Lee) 모델을 삽입시켜 개발한 MPDAP에 대해 다루었다. JWL모델은 기존 모델과는 달리 폭약의 종류 및 특성 등을 고려할 수 있는 모델이다. 또한 본 논문에서는 개발된 프로그램의 적합성을 조사하기 위하여 몇몇 예제에 대한 검증해석을 수행하였다. 검증결과, 단일매체 (single-phase medium)에서의 탄성구형파의 전파특성 해석의 경우 해석결과와 이론해는 거의 일치하는 결과를 나타내었고, 일차원 선형 압밀해석의 경우과잉 간극수압은 Terzaghi의 이론해와 해석된 결과가 비교적 일치하는 경향성을 보여 주었다. 또한 포화지반에서의 평면 압축파 해석의 경우도 해석결과와 이미 검증된 프로그램 또는 완전해의 해석결과는 거의 유사하게 나타나는 것을 알 수 있었다.
Frequency Domain Reflectometry(FDR) system과 길이 7cm의 측정센서를 사용하여 에탄을 믹싱리퀴드(EML)를 주입함으로씨 포화된 흙의 유전율상수 변화를 파악하기 위한 실내실험을 실시하였다. 측정센서에 대한 유전율 측정 범위의 확인 및 물과 동일한 비중을 갖는 EML이 포화된 흙의 공극을 통하여 이동 경로를 파악하기 위함이다. EML 확산실험에서는 포화 흙 칼럼 상단부의 배출구가 EML 주입구로부터 이격될수록 포화 흙의 공극을 통한 EML의 확산범위가 확대됨을 확인하였다. 그리고 EML 유동실험의 결과에서는 포화된 흙 칼럼에 대한 주입과 동시에 일정한 간격으로 설치된 모든 측정센서에서 유전율의 변화를 파악하였다. 따라서 EML 주입에 따른 포화 흑의 공극 내에 존재하는 물의 치환이 충분히 가능하며 공극을 통한 이동성도 함께 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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