In many solute transport studies, either flux or resident concentration has been used. Choice of the concentration mode was dependent on the monitoring device in solute displacement experiments. It has been accepted that no priority exists in the selection of concentration mode in the study of solute transport. It would be questionable, however, to accept the equivalency in the solute transport parameters between flux and resident concentrations in structured soils exhibiting preferential movement of solute. In this study, we investigate how they differ in the monitored breakthrough curves (BTCs) and transport parameters for a given boundary and flow condition by performing solute displacement experiments on a number of undisturbed soil columns. Both flux and resident concentrations have been simultaneously obtained by monitoring the effluent and resistance of the horizontally-positioned TDR probes. Two different solute transport models namely, convection-dispersion equation (CDE) and convective lognormal transfer function (CLT) models, were fitted to the observed breakthrough data in order to quantify the difference between two concentration modes. The study reveals that soil columns having relatively high flux densities exhibited great differences in the degree of peak concentration and travel time of peak between flux and resident concentrations. The peak concentration in flux mode was several times higher than that in resident one. Accordingly, the estimated parameters of flux mode differed greatly from those of resident mode and the difference was more pronounced in CDE than CLT model. Especially in CDE model, the parameters of flux mode were much higher than those of resident mode. This was mainly due to the bypassing of solute through soil macropores and failure of the equilibrium CDE model to adequate description of solute transport in studied soils. In the domain of the relationship between the ratio of hydrodynamic dispersion to molecular diffusion and the peclet number, both concentrations fall on a zone of predominant mechanical dispersion. However, it appears that more molecular diffusion contributes to the solute spreading in the matrix region than the macropore region due to the nonliearity present in the pore water velocity and dispersion coefficient relationship.
The previously developed two dimensional model was modified in order to predict more accurately the degree of microsegregation and eutectic fraction on in weld metal whose solidification rate is very fast. The model employed the same assumptions with previous model but considered of a tip undercooling. The previously predicted microsegregation and eutectic fraction has the discrepancies between simulated and examined results in the weld metal solidification. The experiments for the weld metal solidification of 2024 A1 and Fe-Ni alloy were carried out in order to examine the reasonability and feasibility of this modified model. The concentration profile of the solute and eutectic fraction predicted by the simulation agreed well with those found from experimental works. According to the results, it was believed that the dendrite tip undercooling considered in the modified model be reasonable for predicting the degree of microsegregation more accurately in weld metla solidification. In the GTA welds, degree of dendrite-tip undercooling increases with increasing solidification rage(welding speed). This serves to increase the concentration of dendrite core and thus result in reducing the degree of segregation. And solid state diffusion(back diffusion) during solidification is very low in the weld metal solidification so that little additional homogenization of solute occurs during solidification. With consideration of tip undercooling this modified model can predict exactly degree of microsegregation and eutectic fraction from slow solidification(casting) to fast solidification(welding).
This study is to analyze numerically the spatial behaviors of the solute transport in a spatially correlated variable-aperture fracture under the effective normal stress conditions. Numerical results show that the solute transport in a fracture is strongly affected by the spatial correlation length of apertures and applied effective normal stress. According to increasing spatial correlation length, the mean residence time of solute is decreased and the tortuosity and Peclet number (is a dimensionless number relating the rate of advection of a flow to its rate of diffusion) is also decreased. These results mean that the geometry of the aperture distribution is favorable to the solute transport as the spatial correlation length is increased. However, according to the applied effective normal stress is increased, the mean residence time and tortuosity have a tendency to increase but the Peclet number is decreased. The main reason that the Peclet number is decreased, is that the solute is displaced by one or two channels with relatively higher local flow rate due to the increment of contact areas by increasing effective normal stress. Moreover, based on numerical results of the solute transport in this study, the exponential-type correlation formulae between the mean residence time and the effective normal stress are proposed.
During solidification or welding of alloys, the solute redistribution brings out microsegregation. The microsegregation causes the formation of non-equilibrium second phases, shrinkage and porosity degrading mechanical/chemical properties Therefore, it has been required to predict microsegregation quantitatively. To predict the degree of microsegregation, more exact and appropriate computer simulation technique has been actively used during last two decades. To predict the degree of microsegregation in weld metal, an advanced two dimensional model was suggested. In the new model, both primary and secondary arm regions were defined for the analysis region. The growth in the primary arm regina was assumed to be a planar for effective calculation. Especially, for the growth of a secondary arm, a simple and effective mathematical function was established to show the growing pattern, the solute diffusion in the solid phase was calculated by finite difference method (FDM). The solid-liquid interface movement was considered to be in local equilibrium state. The experiments for welding of 310S stainless steel were carried out in order to examined the reasonability and feasibility of this model. The concentration profiles of the solute predicted by this model were compared with those obtained from experimental works.
Kim, Kang Cheol;Park, Sung Hyun;Na, Min Young;Kim, Won Tae;Kim, Do Hyang
Applied Microscopy
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v.44
no.3
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pp.105-109
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2014
The microstructure of as-quenched $Al_{70}Cu_{18}Mg_{12}$ alloy has been investigated in detail using transmission electron microscopy. Al nano-crystals about 5 nm with a high density are distributed in the amorphous matrix, indicating amorphous matrix nano-composite can be synthesized in Al-Cu-Mg alloy. The high density of Al nano-crystals indicates very high nucleation rate and sluggish growth rate during crystallization possibly due to limited diffusion rate of solute atoms of Cu and Mg during solute partitioning. The result of hardness measurement shows that the mechanical properties can be improved by designing a nano-composite structure where nanometer scale crystals are embedded in the amorphous matrix.
Proceedings of the Korean Society of Soil and Groundwater Environment Conference
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1997.05a
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pp.79-82
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1997
토양내에서 오염유기물질이 불포화토양내에 유입될 때의 dispersion coefficient를 adsorption과 desorption과정에 대해 알아보았다. apparent dispersion coefficient를 측정하기 위해 일상적인 상대습도(46%)조건에서 parametric analysis를 행하였다. 실험에 사용된 토양은 fine sand와 silt-clay혼합시료였고, 흐름방향은 상향과 하향으로 하였다. 그리고, Freon gas를adsorbing solute로 사용하였다. 오염물질로는 DCM, TCE, DCB를 사용하였다. 분석을 위해서 linear와 probability scale의 breakthrough curve를 사용하였다. 공기에서의 diffusion coefficient의 예측을 위하여 Graham's law를 계산에 사용하였고, DCM diffusion coefficient는 0.098$\textrm{cm}^2$/s로 계산되었다. 연구결과, adsorption과 desorption의 속도는 차이가 있는 것으로 나타났으며, diffusion이 flow regime을 좌우하는 것으로 나타났다. 그리고, desorption에서의 D$^{a}$ D$^{o}$ 는 1보다 클수도 있다. 또한, dispersion은 silt-clay혼합시료에서의 속도와 함께 증가한다. dispersion은 Freon의 sorption방향에 크게 의존한다.
This numerical study aims at analyzing the effect of flow characteristics, caused by geometrical features such as intersecting angles, on solute mixing at fracture junctions. It showed that not only Pe, the ratio of advection to diffusion, but also the intersecting angles played an important role in solute mixing at the junction. For the intersection angles less than 90°, the fluid flowed to the outlet in the same direction as the injected flow direction, which increased the contact at the junction with the streamlines coming from the different inlets. On the other hand, for the intersecting angles greater than 90°, the fluid flowed out to the outlet opposite to the flow direction in the inlet, leading to minimizing the contact at the junction. Therefore, in the former case, solute mixing occurred even at high Pe, and in the latter case, solutes transport along the streamlines even at low Pe. For Pe < 1, the complete mixing model was known to occur, but for the intersecting angle greater than 150°, no complete solute mixing occurred. Overall, the transition from the complete mixing model to the streamline-routing model occurred for Pe = 0.1 - 100, but it highly depended on the intersecting angles. Specifically, the transition occurred at Pe = 0.1 - 10 for intersecting angles ≧ 150° and at Pe = 10 - 100 for intersecting angles ≦ 30°. For Pe > 100, the streamline-routing model was dominant regardless of intersecting angles. For Pe > 1,000, the complete streamline-routing model appeared only for the intersecting angles greater than 150°. For the intersecting angles less than 150°, the streamline-routing model dominated over the complete solute mixing, but solute mixing still occurred at the fracture junction.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.32
no.6C
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pp.267-274
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2012
The conventional approach to evaluate the contaminant transport in soils adopts the macro-scale implementation while the pore configuration and network is a dominant factor to determine the fate of contaminant. However, the observation of fate and transport at pore scale may not be readily approachable because of the computational expenses to solve Navier-Stokes equation. We herein present the 2D Lattice-Boltzmann method that enables to assess the local fluid velocity and density efficiently for the case of single phase and multi-components. The solute fate spatio-temperal space is explicitly determined by the advection of fluid flow. Two different types of idealized pore space provides the path of fluid. Also, solute transport, the velocity field and average concentration of solute are computed in steady state. Results show that the pore geometry such as tortuosity mainly affect the solute fate. It highlights the significance of the pore configuration and shape in granular soils and rock discontinuity in spite of the equivalent porosity.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.10
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pp.3361-3370
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1996
Micro-Macro approach is conducted for the mixture solidification to handle the closely linked phenomena of microscopic solute redistribution and macroscopic solidification behavior. For this purpose, present work combines the efficiency of mixture theory for macro part and the capability of microscopic analysis of two-phase model for micro part. The micro part of present study is verified by comparison with experiment of Al-4.9 mass% Cu alloy. The effect of back diffusion on the macroscopic variables such as temperature and liquid concentration, is appreciable. The effect, however, is considerable on the mixture concentration and eutectic fraction which are indices of macro and micro segregation, respectively. According to the diffusion time, the behavior near the cooling wall where relatively rapid solidification permits short solutal diffusion time, approaches Scheil equation limit and inner part approaches lever rule limit.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.22
no.5
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pp.698-707
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1998
A simplified model for predicting microsegregation during columnar-dendritic solidification of binary alloys is developed, in which back diffusion, dendrite arm coarsening and dendrite tip undercooling are simultaneously incorporated. The inclusion of tip undercooling is accomplished by modifying the initial conditions of the existing solute diffusion model, in such forms that tip undercooling depresses the beginning of solidification below the liquidus temperature, and that the secondary arm spacing evolves in accordance with the minimum undercooling theory. Sample calculations for the well-known benchmark system show that the present predictions not only consist with the extablished limiting cases, but also agree favorably with the available experimental data within a reasonable tolerance. In particular, a typical decreasing trend in the eutectic fraction at high cooling rates is successfully resolved. Comparison of the individual and combined effects of characteristic parameters in reference with the limiting cases reveals the interactions among parameters. Every parameter plays the role of reducing the eutectic fraction, and the degree of influence depends primarily on the cooling rate. Coarsening enhances the effect of tip undercooling, while suppressing that of back diffusion. A vigorous back diffusion seems to restrain the apperance of the undercooling effect. Overall, each contribution of the three parameters to microsegregation is estimated to be of the same order, which suffices to justify the present study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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