The flow analyses through a porous hydraulic fractures is among the most important tasks in recently developed shale reservoirs but is rendered difficult by non-Darcy effects and geometric changes in the hydraulic fractures during production. In this study, several Computational Fluid Dynamics(CFD) models of hydraulic fractures, with a simple shape such as that of parallel plates, filled with proppants were built. Direct Numerical Simulation(DNS) analyses were then carried out to examine the flow loss characteristics of the fractures. The hydraulic diameters for the simulation models were calculated using the DNS results, and then they were compared with the results from Kozeny's definition of hydraulic diameter which is most widely used in the flow analysis field. Also, the characteristic parameters based on both hydraulic diameters were estimated for the investigation of the flow loss variation features. Consequently, it was checked in this study that the hydraulic diameter based on Kozeny's definition is not accordant to the results from the DNS analyses, and the case using the CFD results exhibits f Re robustness like general pipe flows, whereas the other case using Kozeny's definition doesn't. Ultimately, it is expected that discoveries reported in this study would help further porous flow analyses such as hydraulic fracture flows.
This study aims towards the improvement of a reinforced concrete rigid-frame bridge in an effort to reduce the construction and maintenance costs, and achieve an improved seismic performance. Correspondingly, a new structural rigid connection is proposed for H-shaped steel girders and reinforcing bars at the corner of the rigid-frame structure. Both experiments and numerical analyses were performed. Prototype models were constructed and subjected to static loading tests to reveal their load-carrying capacity and failure mode. Numerical models were then developed using finite elements to evaluate the experimental results. Analyses elicited good agreement between simulation and experimental data and validated the numerical models. Moreover, the validity of the proposed rigid connection was confirmed, and the failure behavior was clarified. Finally, a full-size model of the reinforced concrete rigid-frame bridge with H-shaped steel girders was constructed and subjected to destructive loading tests to evaluate structural integrity of the proposed rigid connection.
Most of the experimental, theoretical, and numerical studies on the stability of functionally graded composites are deterministic, while there are full of complex interactions of variables with an inherently probabilistic nature, this paper presents a non-intrusive framework to investigate the stochastic nonlinear buckling behaviors of porous functionally graded cylindrical shells exposed to inevitable source-uncertainties. Euler-Lagrange equations are theoretically derived based on the three variable refined shear deformation theory. Closed-form solutions for the shell buckling loads are achieved by solving the deterministic eigenvalue problems. The analytical results are verified with numerical results obtained from finite element analyses that are conducted in the commercial software ABAQUS. The non-intrusive framework is completed by integrating the Monte Carlo simulation with the verified closed-form solutions. The convergence studies are performed to determine the effective pseudorandom draws of the simulation. The accuracy and efficiency of the framework are verified with statistical results that are obtained from the first and second-order perturbation techniques. Eleven cases of individual and compound uncertainties are investigated. Sensitivity analyses are conducted to figure out the five cases that have profound perturbative effects on the shell buckling loads. Complete probability distributions of the first three critical buckling loads are completely presented for each profound uncertainty case. The effects of the shell thickness, volume fraction index, and stochasticity degree on the shell buckling load under compound uncertainties are studied. There is a high probability that the shell has non-unique buckling modes in stochastic environments, which should be known for reliable analysis and design of engineering structures.
In this study, the numerical simulation using AUTODYN-3D program was investigated angle trajectory prediction for inclined impacts of projectiles. The penetration and perforation of polycarbonate plate by 7.62 mm projectile was investigated numerically. The characteristic structure of the projectile's trajectory in the polycabonate plates was studied. Two combined failure criteria were used in the target plate, and the target plate was modeled with the properties of polycarbonate for simulating the ricochet phenomenon. The effect of the angle of inclination on the trajectory and kinetic energy of the projectile were studied. The dynamic deformation behaviors tests of polycabonate were compared with numerical simulation results which can be used as predictive purpose. From the simulation, the ricochet phenomenon was occurred for angles of inclination of $0^{\circ}{\leq}{\theta}{\leq}20^{\circ}$. The projectile perforated the plate for ${\theta}{\leq}30^{\circ}$, thus defining a failure envelope for numerical configuration. The numerical analyses are used to study the effect of the projectile impact velocity on the depth of penetration (DOP). It can be observed that the residual velocities were almost linear relative to penetration velocities. It means that polycarbonate has high resistance at higher velocities.
Fire protection is one of important issues to ensure safety and reduce risks of nuclear power plants (NPPs). While robust programs to shut down commercial reactors in any fires have been successfully maintained, the concept and associated regulatory requirements are constantly changing or strengthening by lessons learned from operating experiences and information all over the world. As part of this context, it is necessary not only to establish specific fire hazard assessment methods reflecting the characteristics of research reactors and educational reactors but also to make decisions based on advancement encompassing numerical analyses and experiments. The objectives of this study are to address fire simulation in the control room of an educational reactor and to discuss integrity of digital console in charge of main operation as well as analysis results through comparison. Three electrical fire scenarios were postulated and twenty-four thermal analyses were carried out taking into account two turbulence models, two cable materials and two ventilation conditions. Twelve supplementary thermal analyses and six subsequent structural analyses were also conducted for further examination on the temperature and heat flux of cable and von Mises stress of digital console, respectively. As consequences, effects of each parameter were quantified in detail and future applicability was briefly discussed. On the whole, higher profiles were obtained when Deardorff turbulence model was employed or polyvinyl chloride material and larger ventilation condition were considered. All the maximum values considered in this study met the allowable criteria so that safety action seems available by sustained integrity of the cable linked to digital console within operators' reaction time of 300 s.
A method for numerical simulation of the carbonization process in manufacturing of a carbon-carbon composite is developed. A general theory, which consists of analyses of heat and mass transfer together with stress and displacement predictions, is constructed. A homogeneous, single phase, isotropic material is selected and a computer program is developed for an arbitrary 2-dimensional geometry using FEM. Material properties are obtained through experiments and references, and are modeled effectively to serve the simulation purpose. The validity of the simulation is verified through several comparisons with experimental data, where close agreements are observed. Finally, examples of actual applications are considered to exhibit the capability and utilization of the code in process optimization.
실험과 유한요소코드를 이용한 수치해석은 폭발 하중에 의한 구조거동을 이해하는 유용한 방법이다. 그러나 내부폭발에 의한 철근콘크리트 구조물 거동에 대한 유한요소해석 결과와 실험적 검증에 대한 자료는 극히 드물다. 이 논문에서는 내부폭발에 의한 철근콘크리트 구조물 거동을 수치해석과 실험적으로 연구하였다. 방 하나짜리 축소형 콘크리트 내력벽 건물 중심에서 TNT가 기폭되는 상황을 고려하였다. 내부 폭풍압 분포와 철근콘크리트 벽 거동 분석은 유한요소 해석 코드인 ANSYS AUTODYN을 사용하였다. 수치해석과 실험을 비교한 결과 방 내부 세 곳에서 측정한 폭풍압과 두 벽 중심의 변위, 네 벽의 파손형태가 유사하게 나타났다. 또한 내부폭발 시 구조부재 거동에 대한 수치해석의 타당성과 정당성을 구조적 피해평가 측면에서 논의한 결과, 해석과 실험에서 같은 파손으로 평가되었다.
본 논문에서는 응력파 전파를 수치모의할 때 발생하는 수치적인 분산효과를 제거하기 위해 파동방정식에 기초한 일차원 유한요소모형을 이용하여 수치분산오차의 특성을 분석하고 분산오차를 제어할 수 있는 방법을 제안하였다. 질량행렬을 그대로 사용하는 경우와 집중질량행렬을 사용하는 경우에 대한 수치분산오차를 분석하였다. 개발된 분산제어기법은 공간미분항의 시간단계 가중치 및 질량집중도를 조정하는 음해법과 인위적인 분산항을 추가하는 양해법의 두가지 방법이다. 제안된 분산보정기법을 이용하여 계산한 수치해와 파동방정식의 해석해를 비교한 결과 본 연구에서 제안한 분산보정기법의 타당성을 확인하였다.
Spatial variability is an inherent characteristic of soil, and auto-correlation length (ACL) is a very important parameter in the reliability or probabilistic analyses of geotechnical engineering that consider the spatial variability of soils. Current methods for estimating the ACL need a large amount of laboratory or in-situ experiments, which is a great obstacle to the application of random field theory to geotechnical reliability analysis and design. To estimate the ACL reasonably and efficiently, we propose a micro-structure based numerical simulation method. The quartet structure generation set algorithm is used to generate stochastic numerical micro-structure of soils, and scanning electron microscope test of soil samples combined with digital image processing technique is adopted to obtain parameters needed in the QSGS algorithm. Then, 2-point correlation function is adopted to calculate the ACL based on the generated numerical micro-structure of soils. Results of a case study shows that the ACL can be estimated efficiently using the proposed method. Sensitivity analysis demonstrates that the ACL will become stable with the increase of mesh density and model size. A model size of $300{\times}300$ with a grid size of $1{\times}1$ is suitable for the calculation of the ACL of clayey soils.
In the present study, a numerical simulation for the diffusion of hydrogen leakage of FCV(Fuel Cell Vehicle) in a tunnel was performed to aid the assessment of risk in case of leakage accident. The temporal and spatial distributions of the hydrogen concentration around FCV are predicted from the present numerical analyses. Flammable region of 4-74% and explosive region of 18-59% hydrogen by volume was identified from the present results. Factors influencing the diffusion of the hydrogen jet were examined to evaluate the effectiveness of tunnel ventilation system for relieving the accumulation of the leaked hydrogen gas. The distribution of the concentration of the leaked hydrogen for various cases can be used as a database in various applications for the hydrogen safety.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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