비행체의 액체 저장탱크에서의 슬로싱 현상은 비행체의 조정 안정성 상실은 물론 구조적인 파손이 발생하여 인명 및 재정 손실이 초래 될 수 있다. 또한 최근 대형 선박에서의 액체 저장탱크에서도 슬로싱 문제는 주요한 관심사로 되어 있다. 선진기술국에서는 이러한 슬로싱 문제를 해결하기 위해 많은 관심을 쏟아 왔으나 국내에서는 체계적인 연구가 미흡한 실정이다.
자유수면을 갖는 2차원 탱크내 유동현상의 규명을 위하여 수치해석법 및 실험적 방법을 제사하였다. 수치해석 방법으로는 전유동장에 대하여 Lagrangian 표현법 개념의 유한요소법을 적용하였으며, 유도의 비압축성 조건을 이용하여 Navier-Stokes 방정식을 fractional step method로 속도수정하는 방법을 도입하였다. 유한요소 내부의 유체는 항상 그 요소 안에 머물러 있고 유체의 경계는 항상 요소의 경계에 따라 이동하고 벽면에서 미끄러짐이 일어난다고 가정한다. 이 방법은 유동이 심한 경우 유동장의 이산화를 재조정해야 하므로 물체 적합좌표계를 사용한 절점 재조정법을 개발하였다. 실험은 한국해사기술연구소가 보유하고 있는 MTS유압시스템을 이용하여 슬러싱 탱크 모형실험이 수행되었으며, 이를 위하여 슬러싱 전용시험기를 제작하였다. 2차원 단순 직사각형 탱크에 대하여 수심의 변화 및 기진진폭의 변화에 따른 유동현상의 변화를 관찰하였고 이론해석 결과와 비교하였다.
Control of vibrations against extraordinary excitations such as wind and earthquake is very important to the protection of life and financial concerns. One of the methods of structural control is to use Tuned Liquid Damper (TLD), however due to the nature of TLD only one sloshing frequency can be created when the water is sloshing. Among various ideas proposed to compensate this problem, by changing the angle of some rotatable baffles embedded inside a TLD, a frequency range is created such that these baffles are tuned manually at different frequencies. In this study, the effect of cross sectional shape of container with rotating baffles on seismic behavior of TLD is experimentally studied. For this purpose, rectangular and cylindrical containers are designed and used to suppress the vibrations of a Single Degree-Of-Freedom (SDOF) structure under harmonic and earthquake excitations considering three baffle angles. The results show that the rectangular-shaped damper reduces the structural response in all load cases more than the damper with a cylindrical shape, such that maximum differences of two dampers to reduce the structural displacement and structural acceleration are 5.5% and 3% respectively, when compared to the cases where no baffles are employed.
Liquid-based Triboelectric nanogenerator (L-TENG) is one of the alternatives to solid-based Triboelectric nanogenerator (S-TENG) because of the absence of surface damage which can decrease the durability of the generator. However, the L-TENG also has an obvious drawback of significantly lower output than that of S-TENG. This article produces water-sloshing-based electricity generating device (W-ED) with a new design of L-TENG that improves electrical output in portable form. The dual-electrode system, consisting of closed-loop circuit and inner electrode which enables water to contact directly in the bottle, can generate the open-circuit voltage and the short-circuit current of up to 348 V and 5.1 mA, respectively. By investigating the motion of water for each frequency, we propose that W-ED is suitable device for a variety of human motions. We expect that W-ED can be applied in small electrical devices or sensors in daily-use items.
This research addresses experimentally the relationship between the excitation frequency and both hoop and axial wall stresses in a water storage tank. A low-density polyethylene tank with six different aspect ratios (water level to tank radius) was tested using a shake table. A laminar box with sand represents a soil site to simulate Soil-Structure Interaction (SSI). Sine excitations with eight frequencies that cover the first free vibration frequency of the tank-water system were applied. Additionally, Ricker wavelet excitations of two different dominant frequencies were considered. The maximum stresses are compared with those using a nonlinear elastic spring-mass model. The results reveal that the coincidence between the excitation frequency and the free-vibration frequency of the soil-tank-water system increases the sloshing intensity and the rigid-like body motion of the system, amplifying the stress development considerably. The relationship between the excitation frequency and wall stresses is nonlinear and depends simultaneously on both sloshing and uplift. In most cases, the maximum stresses using the nonlinear elastic spring-mass model agree with those from the experiments.
유체자유수면의 동적거동을 합리적으로 예측하기 위해서는 비선형 특성을 보이는 자유수면의 동역학적 경계조건을 고려해야할 뿐만 아니라 시간에 따라 변화하는 자유수면의 위치변화에 따른 운동학적 경계조건을 고려하여야 한다. 이러한 문제는 대상구조물이 3차원이 될 경우 더욱 복잡해지므로 3차원 비선형 유체자유수면의 해석은 이론해의 도출이 어려우며 수치해석 방법을 이용하는 것이 효과적이다. 본 연구에서는 수치해석 안정성이 높고 3차원 문제에서도 하나의 변수로 유체거동을 모사할 수 있는 arbitrary Lagrangian-Eulerian approach 를 경계요소에 적용하여 효율적이며 안정적인 유체 대변형 해석기법을 개발하였다. 개발된 기법은 향후 자유수면의 비선형 효과를 고려한 유체-구조물 상호작용 해석에 효과적으로 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
Seismic isolation is a well-known method to mitigate the earthquake effects on structures by increasing their fundamental natural periods at the expense of larger displacements in the structural system. In this paper, the seismic response of isolated and fixed base vertical, cylindrical, liquid storage tanks is investigated using a Finite Element Model (FEM), taking into account fluid-structure interaction effects. Three vertical, cylindrical tanks with different ratios of height to radius (H/R = 2.6, 1.0 and 0.3) are numerically analyzed and the results of response-history analysis, including base shear, overturning moment and free surface displacement are reported for isolated and non-isolated tanks. Isolated tanks equipped by lead rubber bearings isolators and the bearing are modeled by using a non-linear spring in FEM model. It is observed that the seismic isolation of liquid storage tanks is quite effective and the response of isolated tanks is significantly influenced by the system parameters such as their fundamental frequencies and the aspect ratio of the tanks. However, the base isolation does not significantly affect the surface wave height and even it can causes adverse effects on the free surface sloshing motion.
We discuss the bi - stability that is possibly exhibited by a liquid free surface in a parametrically - driven two-dimensional (2D) rectangular tank with finite liquid depth. Following the method of adaptive mode ordering, assuming two dominant modes and retaining polynomial nonlinearities up to third-order, a nonlinear finite-dimensional nonlinear modal system approximation is obtained. A "continuation method" of nonlinear dynamics is then used in order to elicit efficiently the instability boundary in parameters' space and to predict how steady surface elevation changes as the frequency and/or the amplitude of excitation are varied. Results are compared against those of the linear version of the system (that is a Mathieu-type model) and furthermore, against an intermediate model also derived with formal mode ordering, that is based on a second - order ordinary differential equation having nonlinearities due to products of elevation with elevation velocity or acceleration. The investigation verifies that, in parameters space, there must be a region, inside the quiescent region, where liquid surface instability is exhibited. There, behaviour depends on initial conditions and a wave form would be realised only if the free surface was substantially disturbed initially.
Seismic analysis of liquid storage structures is carried out by utilizing 2-dimensional fluid elements of a general purpose structural analysis computer program(ADINA), The present analysis focuses on the effects of the wall flexibility and the sloshing of the free water surface. Due considerations are given to the facts that the fluid has no shear resistance and the free surface motion is subjected to the gravity effect. To validate the present method using 2-dimensional fluid elements, the results of several example cases are compared with those by the Housner's approach for rigid wall case, and with those by the Eulerian formulation for flexible wall case.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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