Jo, Young Beom;Park, So-Hyun;Park, Juryong;Kim, Eung Soo
Nuclear Engineering and Technology
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제53권3호
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pp.752-762
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2021
The Smoothed Particle Hydrodynamics is one of the most widely used mesh-free numerical method for thermo-fluid dynamics. Due to its Lagrangian nature and simplicity, it is recently gaining popularity in simulating complex physics with large deformations. In this study, the 3D single/two-phase numerical simulations are performed on the Liquid Metal Reactor (LMR) centralized sloshing benchmark experiment using the SPH parallelized using a GPU. In order to capture multi-phase flows with a large density ratio more effectively, the original SPH density and continuity equations are re-formulated in terms of the normalized-density. Based upon this approach, maximum sloshing height and arrival time in various experimental cases are calculated by using both single-phase and multi-phase SPH framework and the results are compared with the benchmark results. Overall, the results of SPH simulations show excellent agreement with all the benchmark experiments both in qualitative and quantitative manners. According to the sensitivity study of the particle-size, the prediction accuracy is gradually increasing with decreasing the particle-size leading to a higher resolution. In addition, it is found that the multi-phase SPH model considering both liquid and air provides a better prediction on the experimental results and the reality.
본 논문에서는 2차원 사각탱크내 비압축성, 비점성, 비회전 유동에 대한 비선형 슬로실 해석을 다룬다. 유체영역의 지배방정식으로 포텐셜 이론에 기반을 둔 라플라스 방정식을 사용한다. 대변형의 슬로싱 거동을 표현하기 위하여 베르누이 방정식으로부터 유도된 운동 및 동역학적 자유표면 경계조건을 적용한다. 이러한 비선형 슬로싱 문제는 9결점 요소를 사용한 유한요소법에 의하여 해석되어 진다. 경계조건에 대한 시간적분과 정확한 속도계산을 위하여 각각 예측자-수정자 기법 및 최소자승법을 도입하였다. 또한, 자유표면 추적에서 야기되는 안정성 문제는 시간변동에 대한 자유표면 위치를 직접 계산함으로써 확보할 수 있었다. 외부 조화가진에 대한 본 논문의 결과는 선형이론해 또는 참고문헌의 결과와 비교하여 매우 정확하고 안정적이었다. 프로그램 검증 후, 유체높이와 가진크기에 대한 슬로싱 응답특성을 분석하였다.
Although a rubber isolation cushion can reduce the dynamic response of a structure itself, it has little influence on the height of a sloshing wave and even may induce magnification action. Vertical baffles are set into a base-isolated Concrete Rectangular Liquid Storage Structure (CRLSS), and baffles are opened as holes to increase the energy dissipation of the damping. Problems of liquid nonlinear motion caused by baffles are described using the Navier-Stokes equation, and the space model of CRLSS is established considering the Fluid-Solid Interaction (FSI) based on the Finite Element Method (FEM). The dynamic response of an isolated CRLSS with various baffles under an earthquake is analyzed, and the results are compared. The results show that when the baffle number is certain, the greater the number of holes in baffles, the worse the damping effects; when a single baffle with holes is set in juxtaposition and double baffles with holes are formed, although some of the dynamic response will slightly increase, the wallboard strain and the height of the sloshing wave evidently decrease. A configuration with fewer holes in the baffles and a greater number of baffles is more helpful to prevent the occurrence of two failure modes: wallboard leakage and excessive sloshing height.
유체 저장 구조물은 지진 시 유체의 출렁임에 의해 동수압이 발생한다. 이 때, 유체의 동수압은 지진의 강도뿐만 아니라 유체 자유수면의 출렁임 높이(sloshing height)에 의해서도 변화한다. 이러한 하중 변화에 영향을 미치는 인자로는 지진파의 형상, 최대지진강도, 유체 저장구조물의 크기, 구조물의 폭, 유체의 높이 등이 있으며, 본 연구에서는 유체높이와 구조물 폭의 비가 유체의 출렁임 특성에 미치는 영향을 규명하고자 한다. 이를 위하여 구조물의 폭이 500mm인 수조에 구조물의 전체 높이 대비 50%인 200mm와 35%인 140mm의 유체를 담아 실지진파를 적용시켜 유체 자유수면의 출렁임 높이를 측정하였다. 또한 수치해석기법 중 하나인 SPH기법을 통하여 실험과 해석의 유사성을 검증하였다. 실험과 해석의 비교를 통하여 유체의 자유 수면이 유사한 형상을 나타냄을 확인하였으며, 이를 바탕으로 SPH기법을 적용하여 유체높이와 구조물 폭의 비를 다양하게 변화시키면서 유체 자유수면의 출렁임 형상을 분석하였다. 이상의 결과를 바탕으로 지진시 유체 자유수면의 최대 높이 및 최소높이를 예측할 수 있는 식을 제안하였으며, 제안식에 의해 예측된 유체 자유수면의 최대 높이 및 최소 높이의 오차는 최대 3% 이내임을 확인하였다.
To study the effectiveness of sliding isolation in a CRLSS (concrete rectangular liquid-storage structure) and develop a reasonable limiting-device method, dynamic responses of non-isolation, sliding isolation with spring limiting-devices and sliding isolation with steel bar limiting-devices are comparatively studied by shaking table test. The seismic response reduction advantage of sliding isolation for concrete liquid-storage structures is discussed, and the effect of the limiting-device type on system dynamic responses is analyzed. The results show that the dynamic responses of sliding isolation CRLSS with steel bar-limiting devices are significantly smaller than that of sliding isolation CRLSS with spring-limiting devices. The structure acceleration and liquid sloshing wave height are greatly influenced by spring-limiting devices. The acceleration of the structure in this case is close to or greater than that of a non-isolated structure. Liquid sloshing shows stronger nonlinear characteristics. On the other hand, sliding isolation with steel bar-limiting devices has a good control effect on the structural dynamic response and the liquid sloshing height simultaneously. Thus, a limiting device is an important factor affecting the seismic response reduction effect of sliding isolation. To take full advantage of sliding isolation in a concrete liquid-storage structure, a reasonable design of the limiting device is particularly important.
This study presents the effect of filling ratio on sloshing impact pressure. The experiment was done with three filling ratios of 20%, 70%, and 95% of the tank height. The input of the motion was regular excitation. The total number of sensors in use were 53. They were installed on tank top and tank wall. The maximum pressures and the average of one third highest impact pressures for the whole pressure sensors were investigated. The result shows clearly the location of sensors which are exposed to the high impact pressures for different filling ratios. The characteristics of the impact patterns for three filling ratios were also examined.
This study presents experimental results of sloshing phenomenon done on rectangular box. A simple harmonic excitation was done on the box. Two kinds of filling ratio, 20% and 30% of height, were tested. A total of 15 pressure sensors were installed to monitor the impact pressure. Each test was repeated for 20 times to ensure the repeatability. The high speed camera captured the flaw filed and the corresponding pressure were synchronize with video signal so that the video image can help the interpretation of the impact pressure. The two filling ratio made difference in the flaw characteristic and impact pressure. The use of high speed camera made it possible to understand the bubble generation mechanism. The pressure time histories were presented.
The dynamic behavior of the rectangular liquid storage structure is known to be greatly influenced by fluid-structure interaction. By mounting the liquid storage structure on the properly designed base isolators, dynamic response of the superstructure can be reduced. However, base isolators inevitably incur large displacement of the structure to the ground ·ind may give adverse effects on the sloshing height. This paper presents the analysis method for fluid-structure-isolator interaction in base-isolated rectangular liquid storage structures. In the method, the irrotational motion of invicid and incompressible ideal fluid is expressed by analytic solutions and the superstructure and isolators are properly modeled by finite element and bilinear model. Free surface sloshing motion, hydrodynamic pressure acting on the wall and structural response are obtained by the presented method.
Yazdabad, Mohammad;Behnamfar, Farhad;Samani, Abdolreza K.
Earthquakes and Structures
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제14권2호
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pp.95-102
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2018
Seismic fragility curves of concrete cylindrical tanks are determined using the finite element method. Vulnerabilities including sloshing of contents, tensile cracking and compression failure of the tank wall due to bending are accounted for. Effects of wall flexibility, fixity at the base, and height-diameter ratio on the response are investigated. Tall, medium and squat tanks are considered. The dynamic analysis is implemented using the horizontal components of consistent earthquakes. The study shows that generally taller tanks are more vulnerable to all of the failure modes considered. Among the modes of failure, the bending capacity of wall was shown to be the critical design parameter.
The seismic behavior of a rectangular liquid container with high damping laminated rubber bearing is investigated through the scaled model tests. The results are compared with those for non-isolated model, and those by analytical methods. It is shown that the optimum dynamic properties of isolation system can reduce the acceleration response in the superstructure significantly and prevent the amplification of sloshing height.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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