Cavity expansion and contraction solutions for cylindrical and spherical cavities in unsaturated residual soils are presented in this paper. Varying soil state in the plastic zone is accounted by a numerical approach, wherein an element-by-element discretization of the plastic zone of both expanding and contracting cavities is carried out. Unlike existing methods utilizing self-similarity technique, the solution procedure enables the prediction of entire soil-state at any stage of expansion and subsequent contraction. It is also applicable for both cavity creation and expansion problems. The approach adopts constant contribution of suction to effective stress (constant Xs drainage condition) for analysis. The analysis procedure is validated by interpreting the previously reported pressuremeter test results in lateritic residual soil. The typical cavity expansion and contraction characteristics of unsaturated Indian lateritic soil were then examined using this solution procedure. The effect of initial soil-state on cavity limit pressure, plastic radius, reverse yield pressure, and reverse plastic radius are also presented.
Carija, Zoran;Ledic, Fran;Sikirica, Ante;Niceno, Bojan
Nuclear Engineering and Technology
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v.52
no.12
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pp.2803-2811
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2020
With the aging of nuclear reactors, embrittlement of the reactor pressure vessel (RPV) steel, as a consequence of routine operations, is highly probable. To ensure operational integrity and safety, prediction and mitigation of compromising damage, brought on by pressurized thermal shock (PTS) following an emergency procedure, is of utmost importance. Computational fluid dynamics (CFD) codes can be employed to predict these events and have therefore been an acceptable method for such assessments. In this paper, CFD simulations of a density driven ECC state in the ROCOM facility are analyzed. Obtained numerical results are validated with the experimental measurements. Considerable attention is attributed to the boundary conditions and their influence, specifically outlet definitions, in order to determine and adequately replicate the non-active pumps in the facility. Consequent analyses focused on initial conditions as well as on the temporal discretization and inner iterations. Disparities due to different turbulent modelling approaches are investigated for standard RANS models. Based on observed trends for different cases, a definitive simulation setup has been established, results of which have been ultimately compared to the measurements.
The main objective of this paper is to develop the finite element study on the nonlinear free vibration of functionally graded nanocomposite spherical shells reinforced with graphene platelets under the first-order shear deformation shell theory and von Kármán nonlinear kinematic relations. The governing equations are presented by introducing the full asymmetric nonlinear strain-displacement relations followed by the constitutive relations and energy functional. The extended Halpin-Tsai model is utilized to specify the overall Young's modulus of the nanocomposite. Then, the finite element formulation is derived and the quadrilateral 8-node shell element is implemented for finite element discretization. The nonlinear sets of dynamic equations are solved by the use of the harmonic balance technique and iterative method to find the nonlinear frequency response. Several numerical examples are represented to highlight the impact of involved factors on the large-amplitude vibration responses of nanocomposite spherical shells. One of the main findings is that for some geometrical and material parameters, the fundamental vibrational mode shape is asymmetric and the axisymmetric formulation cannot be appropriately employed to model the nonlinear dynamic behavior of nanocomposite spherical shells.
Different types of deterministic solution methods were used to solve neutron transport equations corresponding to half-space and slab albedo problems. In these types of solution methods, in addition to the error of the numerical solutions, the obtained results contain truncation and discretization errors. In the present work, a non-analog Monte Carlo method is provided to simulate the half-space and slab albedo problems with Inönü and Anlı-Güngör strongly anisotropic scattering functions. For each scattering function, the sampling method of the direction of the scattered neutrons is presented. The effects of different beams with different angular dependencies and the effects of different scattering parameters on the reflection probability are investigated using the developed Monte Carlo method. The validity of the Monte Carlo method is also confirmed through the comparison with the published data.
This paper investigates the dynamics and stability of steady states in a continuous and discrete-time single-mode laser system. By using an explicit criteria we explored the Neimark-Sacker bifurcation of the single mode continuous and discrete-time laser model at its positive equilibrium points. Moreover, we discussed the parametric conditions for the existence of period-doubling bifurcations at their positive steady states for the discrete time system. Both types of bifurcations are verified by the Lyapunov exponents, while the maximum Lyapunov ensures chaotic and complex behaviour. Furthermore, in a three-dimensional discrete-time laser model, we used a hybrid control method to control period-doubling and Neimark-Sacker bifurcation. To validate our theoretical discussion, we provide some numerical simulations.
In this study, the numerical solution of a space-fractional Burgers' equation with initial and boundary conditions is considered. This equation is the simplest nonlinear model for diffusive waves in fluid dynamics. It occurs in a variety of physical phenomena, including viscous sound waves, waves in fluid-filled viscous elastic pipes, magneto-hydrodynamic waves in a medium with finite electrical conductivity, and one-dimensional turbulence. The proposed QBS/CNG technique consists of the Galerkin method with a function basis of quadratic B-splines for the spatial discretization of the space-fractional Burgers' equation. This is then followed by the Crank-Nicolson approach for time-stepping. A linearized scheme is fully constructed to reduce computational costs. Stability analysis, error estimates, and convergence rates are studied. Finally, some test problems are used to confirm the theoretical results and the proposed method's effectiveness, with the results displayed in tables, 2D, and 3D graphs.
This paper proposes an effective method for optimizing the structure of functionally graded isotropic and incompressible linear elastic materials. The main emphasis is on utilizing a specialized polytopal composite finite element (PCE) technique capable of handling a broad range of materials, addressing common volumetric locking issues found in nearly incompressible substances. Additionally, it employs a continuum model for bi-directional functionally graded (BFG) material properties, amalgamating these aspects into a unified property function. This study thus provides an innovative approach that tackles diverse material challenges, accommodating various elemental shapes like triangles, quadrilaterals, and polygons across compressible and nearly incompressible material properties. The paper thoroughly details the mathematical formulations for optimizing the topology of BFG structures with various materials. Finally, it showcases the effectiveness and efficiency of the proposed method through numerous numerical examples.
A systematic numerical comparative study of the performance of semicircular and rectangular submerged breakwaters interacting with solitary waves is the basis of this paper. To accomplish this task, Nwogu's extended Boussinesq model equations are employed to simulate the interaction of the wave with breakwaters. The finite difference technique has been used to discretize the spatial terms while a fourth-order predictor-corrector method is employed for time discretization in our numerical model. The proposed computational scheme uses a staggered-grid system where the first-order spatial derivatives have been discretized with fourth-order accuracy. For validation purposes, five test cases are considered and numerical results have been successfully compared with the existing analytical and experimental results. The performances of the rectangular and semicircular breakwaters have been examined in terms of the wave reflection, transmission, and dissipation coefficients (RTD coefficients) denoted by KR, KT, KD. The latter coefficient KD emerges due to the non-energy conserving KR and KT. Our computational results and graphical illustrations show that the rectangular breakwater has higher reflection coefficients than semicircular breakwater for a fixed crest height, but as the wave height increases, the two reflection coefficients approach each other. un the other hand, the rectangular breakwater has larger dissipation coefficients compared to that of the semicircular breakwater and the difference between them increases as the height of the crest increases. However, the transmission coefficient for the semicircular breakwater is greater than that of the rectangular breakwater and the difference in their transmission coefficients increases with the crest height. Quantitatively, for rectangular breakwaters the reflection coefficients KR are 5-15% higher while the diffusion coefficients KD are 3-23% higher than that for the semicircular breakwaters, respectively. The transmission coefficients KT for rectangular breakwater shows the better performance up to 2.47% than that for the semicircular breakwaters. Based on our computational results, one may conclude that the rectangular breakwater has a better overall performance than the semicircular breakwater. Although the model equations are non-dissipative, the non-energy conserving transmission and reflection coefficients due to wave-breakwater interactions lead to dissipation type contribution.
Horizontal cracks at the mid-depth of concrete slabs were observed at a section of the continuously reinforced concrete pavement(CRCP) structures on the Korea Highway Corporation's Test Road. To investigate the existence and the extent of horizontal cracks in the concrete slab, a number of cores were taken from the section of CRCP. To identify the causes of horizontal cracks, numerical analyses were conducted. Several variables relative to design, material, and environment were considered in the studies to evaluate possible causes of horizontal cracking. A numerical model of CRCP was developed using the finite element discretization, and the shear and normal tensile stress distributions in CRCP were investigated with the model. Numerical analysis results show that the maximum shear and normal tensile stresses develop near the depth of steel bars at transverse cracks. If those maximum stresses reach the strength of concrete, horizontal cracks occur. The maximum stresses become higher as the environmental loads, coefficient of thermal expansion of concrete, and elastic modulus of concrete increase.
Aresti, Lazaros;Tutar, Mustafa;Chen, Yong;Calay, Rajnish K.
Wind and Structures
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v.17
no.6
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pp.647-670
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2013
The paper presents a numerical approach to study of fluid flow characteristics and to predict performance of wind turbines. The numerical model is based on Finite-volume method (FVM) discretization of unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) equations. The movement of turbine blades is modeled using moving mesh technique. The turbulence is modeled using commonly used turbulence models: Renormalization Group (RNG) k-${\varepsilon}$ turbulence model and the standard k-${\varepsilon}$ and k-${\omega}$ turbulence models. The model is validated with the experimental data over a large range of tip-speed to wind ratio (TSR) and blade pitch angles. In order to demonstrate the use of numerical method as a tool for designing wind turbines, two dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) simulations are carried out to study the flow through a small scale Darrieus type H-rotor Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). The flows predictions are used to determine the performance of the turbine. The turbine consists of 3-symmetrical NACA0022 blades. A number of simulations are performed for a range of approaching angles and wind speeds. This numerical study highlights the concerns with the self-starting capabilities of the present VAWT turbine. However results also indicate that self-starting capabilities of the turbine can be increased when the mounted angle of attack of the blades is increased. The 2-D simulations using the presented model can successfully be used at preliminary stage of turbine design to compare performance of the turbine for different design and operating parameters, whereas 3-D studies are preferred for the final design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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