The linear constitutive relations and the failure criteria of composite materials made of thermoviscoelastic solids are presented. The post-failure material behavior is proposed and the dynamic finite element equations are formulated. However, a nonlinear term is kept in the energy equation because it represents the effect of the second law of thermodynamics. A general purpose nonlinear three-dimensional dynamic finite element program COMPASS is upgraded and employed in this work to investigate the interdependence among stress wave propagation, stress concentration, failure progression and temperature elevation in composite materials. The consequence of truthfully incorporating the second law of thermodynamics is clearly observed: it will always cause temperature rise if there exists a dynamic mechanical process.
In order to investigate the soot formation and oxidation processes, we employed the two variable approach and its source terms representing soot nucleation, coagulation, surface growth and oxidation. For the simulation of the taxi-symmetric turbulent reacting flows, the pressure-velocity coupling is handled by the pressure based finite volume method. We also employed laminar flamelet model to calculate the thermo-chemical properties and the proper soot source terms from the information of detailed chemical kinetic model. The numerical and physical models used in this study successfully predict the essential features of the combustion processes and soot formation characteristics in the reacting flow field.
This paper demonstrates the development of optical temperature sensor based on the etched silica-based planar waveguide Bragg grating. Topics include design and fabrication of the etched planar waveguide Bragg grating optical temperature sensor. The typical bandwidth and reflectivity of the surface etched grating has been ∼0.2nm and ∼9%, respectively, at a wavelength of ∼1552nm. The temperature-induced wavelength change is found to be slightly non-linear over ∼200$^{\circ}C$ temperature range. Typically, the temperature-induced fractional Bragg wavelength shift measured in this experiment is 0.0132nm/$^{\circ}C$ with linear curve fit. Theoretical models with nonlinear temperature effect for the grating response based on waveguide and plate deformation theories agree with experiments to within acceptable tolerance.
A finite element code was developed to analyze coupled thermo-hydro-mechanical phenomena. This code is based on the finite element formulation provided by Noorishad et al. (1984) and Joint behavior was simulated Goodman's joint constitutive model. The developed code was applied for T-H-M coupling analysis for two kinds of shaft models, with a joint or without a joint respectively. For a model without a joint, temperature increased from the shaft wall to outward evidently. The radial displacement showed opposite directions of outward and inward at some distance from shaft wall. For a model with a joint, closure of joint was found due to thermal expansion. The temperature distribution along a joint showed relatively lower than that of rock matrix because of low thermal conductivity and high specific heat of water. And it could be concluded that effects of thermal flow to joint were more than that of hydraulic flow in a rock mass.
A typical three-dimensional finite element model for a fuel assembly is established, which is composed of 16 monolithic U-10Mo fuel plates and Al alloy frame. The distribution and evolution results of temperature, displacement and stresses/strains in all the parts are numerically obtained and analyzed with a self-developed code of FUELTM. The simulation results indicate that (1) the out-of-plane displacements of Al alloy side plates are mainly attributed to the bending deformations; (2) enhanced out-of-plane displacements appear in fuel plates adjacent to the outside Al plates, which results from the occurred bending deformations due to the applied constraints of outside Al plates; (3) an intense interaction of fuel foil with the cladding occurs near the foil edge, which appears more heavily in the fuel plates adjacent to the outside Al plates. The maximum first principal stresses in the fuel foil are similar for all the fuel plates and appear near the fuel foil edge; while, the through-thickness creep strains of fuel foil in the fuel plate near the central region of fuel assembly are larger, and the induced creep damage might weaken the fuel skeleton strength and raise the fuel failure risk.
The evolution of temperature and thermal stress in a granite specimen is studied via heating experiment in the context of a high-level radioactive waste repository. A heating condition based on the decay-induced heat is applied to a cubic granite specimen to measure the temperature and stress distributions and their evolution over time. The temperature increases quickly due to heat conduction along the heated surfaces, but a significant amount of thermal energy is also lost through other surfaces due to air convection and conduction into the loading machine. A three-dimensional finite element-based model is used to numerically reproduce the experiment, and the thermo-mechanical coupling behavior and modeling conditions are validated with the comparison to the experimental results. The most crucial factors influencing the heating experiment are analyzed and summarized in this paper for future works.
This paper described an experimental investigations of combustion instability mode in a lean premixed dual swirl combustor for micro-gasturbine system. When such the instability occurs, a strong coupling between pressure oscillations and unsteady heat release excites a self-sustained acoustic wave which results in a loud, annoyed sound and may also lead a structural damage to the combustion chamber. The detailed period of flame behavior and heat release in combustion instability mode have been examined with high speed OH and CH-PLIF system and $CH^*$ chemiluminescence measurement, flame tomography with operated at 10 kHz and 6 kHz each. Experiment results suggest that unstable flame behavior has a specific frequency with 200 Hz and this frequency is accords with about 1/2 sub-harmonic of combustor resonance frequency, not fundamental frequency. This is very interesting phenomenon that have not reported yet from other previous works. Therefore, when a thermo-acoustic instability with Rayleigh criterion occurs, the fact that the period of heat release and flame behavior are different each other was proposed for the first time through this work.
Binita Dash;Trupti R Mahapatra;Punyapriya Mishra;Debadutta Mishra
Structural Engineering and Mechanics
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v.89
no.3
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pp.265-281
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2024
The sound radiation responses of multi-layer composite plates subjected to harmonic mechanical excitation in hygrothermal environment is numerically investigated. A homogenized micromechanical finite element (FE) based on the higher-order mid-plane kinematics replicating quadratic function as well as the through the thickness stretching effect together with the indirect boundary element (IBE) scheme has been first time employed. The isoparametric Lagrangian element (ten degrees of freedom per node) is used for discretization to attain the hygro-thermo-elastic natural frequencies and the modes of the plate via Hamilton's principle. The effective material properties under combined hygrothermal loading are considered via a micromechanical model. An IBE method is then implemented to attain structure-surrounding coupling and the Helmholtz wave equation is solved to compute the sound radiation responses. The effectiveness of the model is tested by converging it with the similar analytical/numerical results as well as the experimentally acquired data. The present scheme is further hold out for solving diverse numerical illustrations. The results revealed the relevance of the current higher-order FE-IBE micromechanical model in realistic estimation of hygro-thermo-acoustic responses. The geometrical parameters, volume fraction of fiber, layup, and support conditions alongside the hygrothermal load is found to have significant influence on the vibroacoustic characteristics.
Biao Kong;Sixiang Zhu;Wenrui Zhang;Xiaolei Sun;Wei Lu;Yankun Ma
Geomechanics and Engineering
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v.32
no.2
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pp.233-244
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2023
With the increasing amount of resources required by the society development, mining operations go deeper, which raises the requirements of studying the effects of temperature on the physical and mechanical properties of coal and adjacent rock. For now, these effects are yet to be fully revealed. In this paper, a mechanical-electromagnetic radiation (EMR) test system was established to understand the mechanical deterioration characteristics of coal by the effect of thermal treatment and its deformation and fracture characteristics under thermo-mechanical coupling conditions. The mechanical properties of high-temperature-treated coal were analyzed and recorded, based on which, reasons of coal mechanical deterioration as well as the damage parameters were obtained. Changes of the EMR time series under unconstrained conditions were further analyzed before characteristics of EMR signals under different damage conditions were obtained. The evolution process of thermal damage and deformation of coal was then analyzed through the frequency spectrum of EMR. In the end, based on the time-frequency variation characteristics of EMR, a method of determining combustion zones within the underground gasification area and combustion zones' stability level was proposed.
This paper investigates coupled thermal, mechanical and hydraulic phenomena in deep rock mass especially for underground heat storage system. Firstly, concepts of underground heat storage were presented and coupling phenomena in this area were illustrated. In order to understand the basic mechanism of thermal, hydraulic and deformation behavior in rock cavern disturbed by thermal gradient about 10$0^{\circ}C$, various numerical experiments were conducted using several codes. The study involves the behavior of fractured rock mass including rock joint. In spite of the limitation of codes modelling fully coupled effects, these codes could be applied in analysis of underground heat storage. The heat loss in rock mass, which is a major factor in heat storage, is insignificant in all results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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