• Steel and Composite Structures
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• 제10권2호
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• pp.129-149
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• 2010

The objective of this study is to formulate a general 3D material-structural analysis framework for the thermomechanical behavior of steel-concrete structures in a fire environment. The proposed analysis framework consists of three sequential modeling parts: fire dynamics simulation, heat transfer analysis, and a thermomechanical stress analysis of the structure. The first modeling part consists of applying the NIST (National Institute of Standards and Technology) Fire Dynamics Simulator (FDS) where coupled CFD (Computational Fluid Dynamics) with thermodynamics are combined to realistically model the fire progression within the steel-concrete structure. The goal is to generate the spatial-temporal (ST) solution variables (temperature, heat flux) on the surfaces of the structure. The FDS-ST solutions are generated in a discrete form. Continuous FDS-ST approximations are then developed to represent the temperature or heat-flux at any given time or point within the structure. An extensive numerical study is carried out to examine the best ST approximation functions that strike a balance between accuracy and simplicity. The second modeling part consists of a finite-element (FE) transient heat analysis of the structure using the continuous FDS-ST surface variables as prescribed thermal boundary conditions. The third modeling part is a thermomechanical FE structural analysis using both nonlinear material and geometry. The temperature history from the second modeling part is used at all nodal points. The ABAQUS (2003) FE code is used with external user subroutines for the second and third simulation parts in order to describe the specific heat temperature nonlinear dependency that drastically affects the transient thermal solution especially for concrete materials. User subroutines are also developed to apply the continuous FDS-ST surface nodal boundary conditions in the transient heat FE analysis. The proposed modeling framework is applied to predict the temperature and deflection of the well-documented third Cardington fire test.

• 한국철도학회:학술대회논문집
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• 한국철도학회 2008년도 추계학술대회 논문집
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• pp.66-72
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• 2008

본 연구에서는 대심도 지하역사에서 화재가 발생할 시 급/배기 팬의 동작 유무에 따른 승강장에서의 열 및 연기의 거시적인 거동을 화재시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 시뮬레이션 분석결과를 토대로 현재 설치된 급/배기 팬에 대한 제연/배연능력에 대하여 고찰하였다. 본 연구의 대상은 숭실대 입구 역사(7호선, 도시철도공사운영)이며, 숭실대 역사의 승강장은 길이 165m, 폭 23.5m, 깊이 47m 이다. 본 연구에서 전산수치해석을 위한 모델은 선로부 지하터널를 감안하여 전후 각 100m를 추가하였다. 따라서 모델링의 크기는 길이 365m, 폭23.5m, 깊이 47m 이다. 격자는 육면체 정렬격자계를 사용하였으며, 격자의 수는 대략 10,000,000 개가 사용되었다. 빠른 수치전산처리를 위하여, 병렬처리기법을 적용하였다. 본 전산수치해석에 사용된 CPU자원에 Intel 3.0GHZ Dual CPU 6개(core 12개)가 사용되었다.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제42권6호
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• pp.620-635
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• 2010

In this paper we describe current activities on the project Multi-Scale Modeling and Analysis of convective boiling (MSMA), conducted jointly by the Paul Scherrer Institute (PSI) and the Swiss Nuclear Utilities (Swissnuclear). The long-term aim of the MSMA project is to formulate improved closure laws for Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations for prediction of convective boiling and eventually of the Critical Heat Flux (CHF). As boiling is controlled by the competition of numerous phenomena at various length and time scales, a multi-scale approach is employed to tackle the problem at different scales. In the MSMA project, the scales on which we focus range from the CFD scale (macro-scale), bubble size scale (meso-scale), liquid micro-layer and triple interline scale (micro-scale), and molecular scale (nano-scale). The current focus of the project is on micro- and meso-scales modeling. The numerical framework comprises a highly efficient, parallel DNS solver, the PSI-BOIL code. The code has incorporated an Immersed Boundary Method (IBM) to tackle complex geometries. For simulation of meso-scales (bubbles), we use the Constrained Interpolation Profile method: Conservative Semi-Lagrangian $2^{nd}$ order (CIP-CSL2). The phase change is described either by applying conventional jump conditions at the interface, or by using the Phase Field (PF) approach. In this work, we present selected results for flows in complex geometry using the IBM, selected bubbly flow simulations using the CIP-CSL2 method and results for phase change using the PF approach. In the subsequent stage of the project, the importance of effects of nano-scale processes on the global boiling heat transfer will be evaluated. To validate the models, more experimental information will be needed in the future, so it is expected that the MSMA project will become the seed for a long-term, combined theoretical and experimental program.

• The Journal of Advanced Prosthodontics
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• 제11권3호
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• pp.169-178
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• 2019

PURPOSE. While dental implants have displayed high success rates, poor mechanical fixation is a common complication, and their biomechanical response to occlusal loading remains poorly understood. This study aimed to develop and validate a computational model of a natural first premolar and a dental implant with matching crown morphology, and quantify their mechanical response to loading at the occlusal surface. MATERIALS AND METHODS. A finite-element model of the stomatognathic system comprising the mandible, first premolar and periodontal ligament (PDL) was developed based on a natural human tooth, and a model of a dental implant of identical occlusal geometry was also created. Occlusal loading was simulated using point forces applied at seven landmarks on each crown. Model predictions were validated using strain gauge measurements acquired during loading of matched physical models of the tooth and implant assemblies. RESULTS. For the natural tooth, the maximum vonMises stress (6.4 MPa) and maximal principal strains at the mandible ($1.8m{\varepsilon}$, $-1.7m{\varepsilon}$) were lower than those observed at the prosthetic tooth (12.5 MPa, $3.2m{\varepsilon}$, and $-4.4m{\varepsilon}$, respectively). As occlusal load was applied more bucally relative to the tooth central axis, stress and strain magnitudes increased. CONCLUSION. Occlusal loading of the natural tooth results in lower stress-strain magnitudes in the underlying alveolar bone than those associated with a dental implant of matched occlusal anatomy. The PDL may function to mitigate axial and bending stress intensities resulting from off-centered occlusal loads. The findings may be useful in dental implant design, restoration material selection, and surgical planning.

• Wind and Structures
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• 제31권6호
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• pp.533-548
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• 2020

Despite the current technologic developments, failures in existent tensile fabric structures (TFS) subjected to wind do happen. However, design pressure coefficients are only obtained for large projects. Moreover, studies on TFSs with realistic supporting frames, comparing static and dynamic analyses and discussing the design implications, are lacking. In this study, fluid-Structure analyses of a TFS supported by masts and inclined cables, by subjecting it to different wind speeds, are carried out, to gain more understanding in the above-referred aspects. Wind-induced stresses in the fabric and axial forces in masts and cables are assessed for a hypar by using computational fluid dynamics. Comparisons are carried out versus an equivalent static analysis and also versus loadings deemed representative for design. The procedure includes the so-called form-finding, a finite element formulation for the TFS and the fluid formulation. The selected structure is deemed realistic, since the supporting frame is included and the shape and geometry of the TFS are not uncommon. It is found that by carrying out an equivalent static analysis with the determined pressure coefficients, differences of up to 24% for stresses in the fabric, 5.4% for the compressive force in the masts and 21% for the tensile force in the cables are found with respect to results of the dynamic analysis. If wind loads commonly considered for design are used, significant differences are also found, specially for the reactions at the supporting frame. The results in this study can be used as an aid by designers and researchers.

• 한국군사과학기술학회지
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• 제24권2호
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• pp.211-218
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• 2021

This paper deals with the computational work to characterize the formation and pinching of a plasma in an X-pinch configuration. A resistive magnetohydrodynamic model of a single fluid and two temperature is adopted assuming a hollow conical structure in the (r,z) domain. The model includes the thermodynamic parameter of tungsten from the corrected Thomas-Fermi EOS(equation of state), determining the average ionization charge, pressure, and internal energy. The transport coefficients, resistivity and thermal conductivity, are obtained by the corrected Lee & More model and a simple radiation loss rate by recombination process is considered in the simulation. The simulation demonstrated the formation of a core-corona plasma and intense compression process near the central region which agrees with the experimental observation in the X-pinch device at Seoul National University. In addition, it confirmed the increase in radiation loss rate with the density and temperature of the core plasma.

• International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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• 제13권1호
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• pp.236-245
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• 2021

In this study, direct numerical and large eddy simulations of transitional flows around studs were conducted to investigate the effectiveness of turbulence stimulators at very low speeds for the minimum propulsion power condition of four knots. For simplicity, the studs were assumed to be installed on a flat plate, while the wake was observed up to 0.23 m downstream behind the second stud. For applicability to a model ship, we also studied the flow characteristics behind the first and second studs installed on a curved plate, which was designed to describe the geometry of a bulbous bow. A laminar-to-turbulent transition was observed in the wake at Re_D ≥ 921 (U_∞≥0.290 m/s), and the wall shear stress at Re_D = 1162 (U_∞ = 0.366 m/s) in the second wake was similar to that of the fully developed turbulent boundary layer after a laminar-to-turbulent transition in the first wake. At Re_D = 581 (U_∞ = 0.183 m/s), no turbulence was stimulated in the wake behind the first and second studs on the flat plate, while a cluster of vortical structures was observed in the first wake over the curved plate. However, a cluster of vortical structures was revealed to be generated by the reattachment process of the separated shear layer, which was disturbed by the first stud rather than directly initiated by the first stud. It was quite different from a typical process of transition, which was observed at relatively high Re_D that the spanwise scope of the turbulent vortical structures expanded gradually as it went downstream.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제52권6호
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• pp.826-833
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• 2014

해양 중소규모 가스전의 경제성에 대한 화두가 던져진 이후 전통 석유의 가격변동과 세계적인 환경규약 등에 맞물려 석유화학관련 산업계에서는 이를 효과적으로 대처하고 천연가스를 활용할 수 있는 공정을 개발하고자 하였다. 이에 Fischer-Tropsch 반응을 기반으로 하는 해상 GTL 공정(offshore gas-to-liquid process)이 제안되었고 부유시스템 platform으로 공정을 적용시키고자 마이크로채널 반응기가 떠오르고 있다. 본 논문에서는 단일 마이크로채널 반응기를 Fischer-Tropsch 반응을 기반으로 하여 Matlab과 ASPEN Hysys를 연동하여 모사하고 이로 얻어진 반응열을 도입해 상용 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 소프트웨어인 ANSYS fluent로 멀티 마이크로채널 반응기 모델을 제작하였다. 그리고 4가지의 설계변수인 냉각채널 넓이, 높이, 냉각채널과 반응채널의 간격, 냉각채널 간의 간격을 설정하고 이들의 변화에 따른 열유동을 3가지의 변수인 열유속, 냉각 및 반응채널의 최대온도의 변화를 시각화하여 그 경향성을 확인하였다. 경향성 분석 결과, 냉각채널의 넓이와 높이는 짧을수록 총 열유속이 높아졌으며 최대온도 역시 높아졌으나 냉각채널과 반응채널의 간격은 열유동에 거의 영향을 미치지 못하였다. 냉각채널 간의 간격은 짧을수록 총 열유속이 높아졌으며 최대온도는 낮아졌다. 따라서 적절한 냉각채널의 넓이와 높이를 제안하고 짧은 간격의 냉각채널 구조를 도입하여 반응채널의 열량을 충분히 제거할 수 있는 반응기설계에 대한 휴리스틱을 제안할 수 있었다. 이처럼 멀티채널 반응기의 모델을 설계하고 이로부터 적절한 변수를 선택해 그 경향성을 확인할 수 있는 방법을 통해 설계 단계에서부터 적절한 반응기 구조에 대한 제안을 하는데 도움을 줄 것이다.

• 생태와환경
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• 제42권1호
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• pp.85-94
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• 2009

용담댐 저수지에 설치된 대류식 순환장치에 대한 현장 조사 결과에 의하면 수평방향의 직접영향권은 성층 강도에 큰 영향 없이 반지름 $7{\sim}10m$에 이르는 것으로 조사 되었으며 수직방향으로는 성층강도에 따라 또는 가동기간에 따라 조금씩 달라지는 것으로 나타났다. 즉 가동시간이 길어짐에 따라 하층에서 올라온 수온이 낮은 수체는 보다 깊게 먼 곳까지 이동하는 것으로 나타났으나 성층을 깨지는 못하는 것으로 나타났다. 2008년 현장에서 실측 조사한 결과와 CFD모사 결과에 의하면 이런 조건에서 한 달을 가동하면 하층에서 올라온 수체가 대류식 장치 주변으로 수심 8 m, 지름 120 m의 수층을 이루게 되며 50일을 가동하면 수심 10 m, 지름 130m의 수층을 이루는 것으로 평가되었다. 대류식 순환장치가 설치된 지역에 대한 CFD모사를 하기 전에 이 지역의 흐름특성을 평가하였다. 대상 지역의 흐름은 연중 크게 3가지로 구분되었으며 각각의 경우 유량은 다르지만 저수지 수체의 흐름 속도는 모두 $0.05{\sim}1.5cm\;sec^{-1}$로 나타나 CFD모사시에 저수지 흐름을 고려하지 않아도 될 것으로 평가되었다. CFD를 이용한 수체거동 모사결과 순환장치로부터 3m지점에서의 유속은 $0.25m\;sec^{-1}$를 나타냈고, 5m지점에서는 $0.2m\;sec^{-1}$를 나타냈다. 현장 실측 결과와 비교시 유속은 모사 결과가 조금 크게 산정되는 것으로 나타났으나 향후 보다 많은 자료를 확보하여 비교해 보아야 할 것으로 판단되었다. 반면 영향범위는 반경방향으로 10 m지점까지는 직접영향을 받고, 그 보다 먼 지점은 간접영향권임을 나타내고 있어 이는 모사결과와 실측치 간에 일치하는 것으로 나타났다. 수면에서의 온도분포는 순환장치로부터 분출된 저온의 물이 반지름 약 10 m지점까지는 수온변화에 영향을 미치는 직접영향권인 것을 알 수 있다. 이상과 같이 모사 결과는 현장에서 실측한 것과 유사한 결과를 나타내므로 결과의 신뢰성이 높은 것으로 판단되었다.

• 한국통신학회논문지
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• 제18권12호
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• pp.1970-1982
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• 1993

본 논문에서는 vector-radix 2차원 고속 DCT(VR-FCT)를 VLSI 병렬계산하기 위한 효율적인 어레이 알고리듬을 제안하고, 이를 집적회로로 구현하기 위한 회로를 설계하였다. VR-FCT 알고리듬의 버터플라이 연산부분을 2차원 어레이에 매핑하여 이를 병렬 및 파이프라인 처리함을써 VR-FCT 알고리듬의 고속성과 2차원 어레이의 병렬성 및 국부통신 특성을 동시에 이용할 수 있다는 특징을 갖는다. 제안된 구현방식은 RCA 방식과는 달리 transposition 메모리가 필요치 않으며, 2차원 어레이의 구조적인 규칙성, 모듈성 및 국부연결성 등에 의해 회로설계 시간의 단축, 설계검증 및 설계변경등이 용이하여 VLSI 구현에 매우 적합하다. 연산회로는 곱셈기를 사용하기않고 가산기만으로 설계하였으며, 2의 보수연산 대신에 Canonic-Signed Didit(CSD) 코드를 사용함으로써 약 30%의 가산횟수를 줄일 수 있었다. 제안된 방법의 DCT 연산과정을 C언어로 모델링하여 회로의 유한 레지스터 길이에 대한 연산정밀도를 분석하였다. 제안된 어레이 알고리듬의 시간성능은 (N*N) 2차원 DCT에 대해 O(N+Nnzd-log2N)의 시간 복잡도를 갖는다. 시뮬레이션 결과고부터 Nnzp=4이고 50MHz 클럭이 사용되는 경우, (8*8) DCT계산에 약 0.88 sec가 소요괴며, 약 72*10 pixels/sec의 연산성능이 예상된다.