본 연구에서는 고체로켓 모터의 연소 불안정성을 예측하고 분석 할 수 있는 해석도구의 개발을 위해 음향에너지의 분석과 선형 안정성 해석을 수행하였다. 음향 해석의 경우 상용 프로그램인 COMSOL을 이용하여 단면적이 일정한 실린더 형상의 연소실 음향 해석 및 모드 해를 도출하였다. Culick에 의해 정립된 고체추진 로켓의 선형 안정성 해석에 기초하여 연소 불안정성을 진단하였으며 압력결합, 노즐감쇠, 입자감쇠의 안정성 요소(stability alpha) 외에 유동방향변환(flow turning) 요소와 점성감쇠(viscous loss) 요소를 추가하여 연료 표면 근처의 유동 및 점성효과를 포함하는 연소 불안정의 경향을 파악하였다. 또한 입자의 크기에 따른 주파수 영역별 연소 불안정 감쇠 특성을 파악하였다.
Fluid-Structure Interaction (FSI) modeling is highly effective to reveal deformations, fatigue failures, and stresses on a solid domain caused by the fluid flow. Mechanical properties of the solid structures and the thermophysical properties of fluids can change under different operating conditions. In this study, we investigated the interaction of [45/-45]2 wounded composite tubes with the fluid flows suddenly pressurized to 5 Bar, 10 Bar, and 15 Bar at the ambient temperatures of 24℃, 66℃, and 82℃, respectively. Numerical analyzes were performed under each temperature and pressure condition and the results were compared depending on the time in a period and along the length of the tube. The main purpose of this study is to present the effects of the variations in fluid characteristics by temperature and pressure on the structural response. The variation of the thermophysical properties of the fluid directly affects the deformation and stress in the material due to the Wall Shear Stress (WSS) generated by the fluid flow. The increase or decrease in WSS directly affected the deformations. Results show that the increase in deformation is more than 50% between 5 Bar and 10 Bar for the same operating condition and it is more than 100% between 5 Bar and 15 Bar by the increase in pressure, as expected in terms of the solid mechanics. In the case of the increase in the temperature of fluid and ambient, the WSS and Von Mises stress decrease while the slight increases of deformations take place on the tube. On the other hand, two-way FSI modeling is needed to observe the effects of hydraulic shock and developing flow on the structural response of composite tubes.
Kim, Hey-Suk;Shin, Mi-Soo;Jang, Dong-Soon;Lee, Sang-Ill;Park, Jong-Woon
Environmental Engineering Research
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제10권1호
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pp.15-21
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2005
A computer program is developed for the prediction of the flow pattern and the removal efficiency of suspended solid (SS) in a circular secondary clarifier. In this study the increased density effect by SS on hydrodynamics has been systematically investigated in terms of Froude Number (Fr), baffle existence, and a couple of important empirical models associated with the particle settling and Reynolds stresses. A control-volume based-finite difference method by Patankar is employed together with the SIMPLEC algorithm for the resolution of pressure-velocity coupling. The k-ε turbulence and its modified version are incorporated for the evaluation of Reynolds stresses. The calculation results predicts well the overall flow pattern such as the waterfall phenomenon at the front end of the clarifier and the bottom density current with the formation of strong recirculation especially for the case of decrease of Fr. Even if there are some noticeable differences in the prediction of two turbulence models, the calculated results of the radial velocity profiles are generally in good agreement against experimental data appeared in open literature. Parametric investigation has been systematically made with the Fr and baffle condition with detailed analysis.
As an alternative for solving the incompressible Navier-Stokes equations, we present a vorticity-based integro-differential formulation for vorticity, velocity and pressure variables. One of the most difficult problems encountered in the vorticity-based methods is the introduction of the proper value-value of vorticity or vorticity flux at the solid surface. A practical computational technique toward solving this problem is presented in connection with the coupling between the vorticity and the pressure boundary conditions. Numerical schemes based on an iterative procedure are employed to solve the governing equations with the boundary conditions for the three variables. A finite volume method is implemented to integrate the vorticity transport equation with the dynamic vorticity boundary condition . The velocity field is obtained by using the Biot-Savart integral derived from the mathematical vector identity. Green's scalar identity is used to solve the total pressure in an integral approach similar to the surface panel methods which have been well-established for potential flow analysis. The calculated results with the present mettled for two test problems are compared with data from the literature in order for its validation. The first test problem is one for the two-dimensional square cavity flow driven by shear on the top lid. Two cases are considered here: (i) one driven both by the specified non-uniform shear on the top lid and by the specified body forces acting through the cavity region, for which we find the exact solution, and (ii) one of the classical type (i.e., driven only by uniform shear). Secondly, the present mettled is applied to deal with the early development of the flow around an impulsively started circular cylinder.
This manuscript will discuss a numerical method where the six equations of two-phase flow, the solid heat conduction equations, and the two equations that describe neutron diffusion and precursor concentration are solved together in a tightly coupled, nonlinear fashion for a simplified model of a nuclear reactor core. This approach has two important advantages. The first advantage is a higher level of accuracy. Because the equations are solved together in a single nonlinear system, the solution is more accurate than the traditional "operator split" approach where the two-phase flow equations are solved first, the heat conduction is solved second and the neutron diffusion is solved third, limiting the temporal accuracy to $1^{st}$ order because the nonlinear coupling between the physics is handled explicitly. The second advantage of the method described in this manuscript is that the time step control in the fully implicit system can be based on the timescale of the solution rather than a stability-based time step restriction like the material Courant limit required of operator-split methods. In this work, a pilot code was used which employs this tightly coupled, fully implicit method to simulate a reactor core. Results are presented from a simulated control rod movement which show $2^{nd}$ order accuracy in time. Also described in this paper is a simulated rod ejection demonstrating how the fastest timescale of the problem can change between the state variables of neutronics, conduction and two-phase flow during the course of a transient.
In the framework of the European project SAMOSAFER, this numerical study focuses on some thermal aspects of the Emergency Draining Tank (EDT) located underneath the core of a Molten Salt Reactor. In case of an emergency, this tank passively receives the liquid fuel salt and is designed to ensure a subcritical state. An important requirement is that the fuel does not overheat to maintain the EDT Hastelloy container integrity. The present EDT is based upon a group of hexagonal cooling assemblies arranged in a hexagonal grid and cooled down thanks to conduction through the inert salt layer up to an air flow in charge of removing the heat. This numerical thermal study relies on a conjugated heat transfer analysis coupling a Finite Element solid thermal code (SYRTHES) and two instances of a Finite Volume CFD codes (Code_Saturne). Calculations on an initial design suggest that a simple center airpipe flow is likely to not sufficiently cool the device. Alternative solutions have been evaluated. Introduction of fins to enhance the heat transfer do not bring a noticeable improvement regarding maximum temperature reached. However, a solution in which the central pipe air flow is replaced by several cooling channels located closer to the fuel is investigated and suggests a better cooling.
The finite element programs have been developed for structure, collision, flow, dynamics, heat transfer, acoustics, electromagnetism, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), and etc. These programs can be classified as either "package" program or "single purpose" program. Single purpose programs usually have convenient and powerful functions, but these programs have limited expandability to different fields of analysis. Therefore, the method to converter the analysis results of single purpose program to other programs is needed. In the research, multi-body data conversion methods of 1) finite element model and 2) solid model were created to convert fluid analysis result of CFD-ACE+ to ANSYS data structure. Automatic boundary condition algorithms were developed for blade, and finite element model was compared with solid model. It is expected that, by sealess data transfer, the Multi-body Data Conversion Program could reduce the development period of torque converters.
A great deal of attention is focused on coupled Thermo-Hydro-Mechanical (THM) behavior of multiphase porous media in diverse geo-mechanical and geo-environmental areas. This paper presents general governing equations for coupled THM processes in unsaturated porous media. Coupled partial differential equations are derived from 3 mass balances equations (solid, water, and air), energy balance equation, and force equilibrium equation. Finite element code is developed from the Galerkin formulation and time integration of these governing equations for 4 main variables (displacement $\underline{u}$, gas pressure $P_g$, liquid pressure $P_l$), and temperature T). The code is validated with theoretical solutions for linear material with simple boundary conditions.
Characteristics of spatial structure of particle clusters are investigated by using the flow field data obtained from three-dimensional numerical simulations. Eulerian/Lagrangian approach with two-way coupling is applied and individual particle-particle collisions are taken into account by using the hard-sphere model. More than 16 million particles are traced in the maximum case. The results show that the cluster is consisted from the multiple-spatial scale components while the low wave-number, hence the large-scale structure, is dominant. Three-dimensional structure reconstructed from the low-pass filtered data enables us to investigate the essential dynamics of particle clusters in detail.
Recently, some fluid-structure interaction (FSI) problems involving the fluid impact loads interacting with structures, such as sloshing, slamming, green-water, etc., have been considered, especially in the ocean engineering field. The governing equations for both an elastic solid model and flow model were originally derived from similar continuum mechanics principles. In this study, an elastic model based on a particle method, the MPS method, was developed for simulating the FSI problems. The developed model was first applied to a simple cantilever deflection problem for verification. Then, the model was coupled with the fluid flow model, the PNU (Pusan National University modified)-MPS method, and applied to the numerical investigation of the coupling effects between a cantilever and a mass of water, which has variable density, free-falling to the end of the cantilever.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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