Immersive and Interactive Multi-Physics Modeling of Coastal Hazards

Sooncheol Hwang 고려대학교 대학원 2023 국내박사

This dissertation proposes a multi-physics modeling of coastal hazards which utilizes immersive and interactive simulation systems and GPU acceleration. First, the multi-physics model of coastal hazards is developed based on the Boussinesq-type wave model. Various physical contributors to coastal hazards such as storm surge, tide, rainfall, pollutant, wind stress, and wave breaking are implemented for concurrently simulating these phenomena. The internal source of wave generation and periodic boundary conditions are also implemented. An efficient HLL-based scheme is proposed for scalar transport governed by shallow water flows. An anti-diffusion function is introduced to minimize the numerical diffusion for scalar concentration when solving the advection terms using the HLL Riemann solver. Then, we employ the GPU computation to solve the governing equations. This overcomes the shortcoming of the multi-physics model and enables real-time numerical simulation through GPU acceleration. The immersive and interactive simulation environments are implemented in the developed model. These features allow the end-user to experience the coastal disaster in the immersive simulation environment and alter the terrain while the simulation is running. Finally, the developed model is further coupled with the non-dispersive shallow water model through a one-way coupling. Numerical experiments are performed to validate the accuracy and applicability for all the studied topics. Consequently, we have developed an immersive and interactive multi-physics modeling of coastal hazards.

Processing and Numerical Simulation of Carbon Fiber Composites for Automotive Wheel

황정민 서울대학교 대학원 2019 국내박사

In recent years, many studies have focused on improving material properties such as weight reduction, thermal/mechanical stability in the manufacturing industry. This can be achieved through several approaches: new structural design, processing, and materials. In particular, replacing existing heavy materials with lightweight materials can induce a big impact. Carbon fiber composites are emerging as a great alternative, and the research and demand for them is increasing dramatically. They are currently used in a wide range of industries, including aerospace, automotive, wind blade and sports. This study mainly dealt with carbon fiber composite automotive wheel manufacturing, one of the automotive components that can play an important role in reducing the weight of automobiles. The carbon fiber composite automotive wheel was manufactured with two typical polymer processing: Resin Transfer Molding (RTM) and Injection Molding (IM). In the RTM process, simulations were conducted first to predict the resin flow behavior and optimize the process conditions to fabricate final developed products that passed the vehicle test. In the IM process, three dimensional (3D) numerical analysis was carried out to investigate the resin flow and warpage of the product. The possibility of actual processing was also confirmed by fabricating the specimens. It provided a meaningful guideline for manufacturing a real automotive wheel via injection molding. In Chapter 2, the entire process of manufacturing wheels by RTM process was described. At first, we studied the permeability tensor of the fiber preform. It is a key material property for satisfactory resin transfer molding process. The creeping flow simulation was carried out to obtain the flow field in a unit cell, and Darcy’s law was utilized to compute the permeability tensor. The unit cell for the non-crimp fabrics (NCFs) was defined and constructed, and the permeability was analyzed in the axial, transverse, and thickness directions. The effect of shifted preform layers was also evaluated for more realistic permeability tensor. The predicted and measured results were compared with respect to the fiber volume fraction, fabric pattern, and stacking structure. And then, 3D numerical simulation was carried out to investigate the resin flow behavior in a complicated mold. A 19-inch automotive wheel rim was designed and fabricated using carbon fiber preform and epoxy resin. Case studies were performed to minimize the void formation during processing. It was found that the numerical and experimental results were in good agreement with each other, and the numerical optimization led to significant improvement in the quality of the product. Finally, thermal, mechanical, viscoelastic and structural analysis were performed to characterize the final developed wheel rim. The reliability of various properties has been improved by comparing benchmark wheel and reference values. As a result, a carbon fiber composite automotive wheel satisfying various criteria has been successfully developed and fabricated. In Chapter 3, material design for producing the carbon fiber composite wheel among the thermoplastic resins was performed firstly. After the resin was selected as 40 wt% carbon fiber filled Polyamide 6 (PA6), injection molding of carbon fiber composite automotive wheels with complex shape was investigated numerically. As the geometry is not a common simple shape for injection molding, but a cylindrical complex shape, diaphragm gate was introduced and the size and shape of the sprue, gate and runner were specially designed. The resin flow during filling and deformation of parts after ejection were predicted numerically. The filling time in the cavity was optimized and the gate freezing time was determined. Insert injection molding was also considered to reduce the deformation of the part and improve the mechanical properties. The insert injection molded part was assessed in terms of pressure, fiber orientation, deformation, elastic modulus, and residual stress distribution. It was found that the deformation of the part was significantly reduced when the insert was applied. In addition, the specimens were fabricated to show the possibility of real manufacturing processing. The same characterization with RTM products such as thermal, mechanical and viscoelastic analysis were measured. The manufacturing possibility of actual injection molding process was verified by comparison with product manufactured by RTM. 최근, 제조 산업에서 경량화, 열적/기계적 안정성 등 물성 개선을 위한 신소재 개발이나 새로운 공법 개발이 연구되고 있다. 이는 새로운 구조 설계, 성형 공정 및 재료 개발 등 방식을 통해 실현될 수 있다. 그 중 기존 무거운 소재를 경량 소재로 교체하는 것이 가장 효과적인 방법이다. 따라서 탄소섬유복합재료가 좋은 대안으로 떠오르고 있고, 이에 대한 연구와 수요도 급격히 증가하고 있으며 현재 항공우주, 자동차, 윈드블레이드, 스포츠 등 다양한 산업에서 사용되고 있다. 본 연구는 주로 자동차 경량화를 진행하는데 중요한 역할을 하는 탄소섬유 복합재료 차륜의 제조과정에 대한 연구를 진행하였다. 탄소섬유 복합재료 차륜은 고분자 성형 공정 중 가장 대표적인 수지 이송 성형(RTM)과 사출 성형(IM)으로 제조되었으며, 수지 이송 성형 공정에서는 먼저 수지의 유동성을 예측하고, 공정 조건을 최적화하기 위해 시뮬레이션을 진행했고 해석 결과를 기반으로 실제 제품을 제조하여 실차 테스트까지 통과 하였다. 사출 성형 공정에서는 충진 과정에서의 수지 유동과 제품의 변형을 예측하기 위해 3차원(3D) 수치 해석을 진행하였다. 또한 시편을 제작해 실제 차륜의 성형성도 확인하였다. 이는 실제 사출 성형을 통해 차륜을 제조하는데 필요한 가이드라인을 제시하였다. 제2장에서는 수지 이송 성형 공정을 통한 차륜 제조에 대한 과정에 대해 서술하였다. 우선, 직물의 투과율 계수 텐서에 대한 예측과 측정을 진행하였다. 투과율 계수는 수지 이송 성형 공정에서 가장 중요한 핵심 재료 물성이다. Creeping flow에 대한 유동 해석을 수행하여 단위셀의 속도장과 압력장에 대한 결과를 얻었으며, Darcy의 법칙을 이용하여 투과성 계수를 계산하였다. NCF 직물의 단위 셀을 추출하고, 축 방향, 가로 방향, 두께 방향 등 세가지 방향에 대한 투과율계수를 예측하였다. Shifting 영향을 고려하여 보다 현실적인 투과율 계수 값을 얻었다. 투과율 계수 측정 실험도 진행하였으며 예측 결과와 섬유 부피, 섬유 패턴 및 적층 구조에 대해 비교하였다. 다음, 3차원 수지 이송 성형 유동 해석을 수행하여 복잡한 금형에서의 수지 흐름을 예측하였다. 19인치 차륜은 탄소 섬유 프리폼과 에폭시 수지를 사용하여 설계 및 제작되었다. void를 최소화하기 위한 공정 최적화를 진행하였다. 수치와 실험 결과가 서로 잘 맞아떨어졌고, 해석으로 공정 최적화를 진행하여 제품 품질이 크게 향상되었다. 마지막으로 열, 기계, 점탄성 및 구조 분석을 수행하여 최종 개발된 차륜의 다양한 물성을 파악하였다. 벤치마크 제품과 문헌 값을 비교하여 물성의 신뢰성을 높였다. 그 결과, 다양한 기준을 만족시키는 탄소섬유 복합재료 차륜이 성공적으로 개발되고 제작되었다. 제3장에서는 열가소성 수지로 탄소섬유 복합재료 차륜을 제조하기 위한 재료 설계를 먼저 수행하였다. 수지를 40wt% 탄소섬유가 포함되어있는 폴리아미드 6(PA6)로 선택한 후 복잡한 형상의 탄소섬유 복합재료 차륜의 사출 성형에 대해 해석을 진행하였다. 형상이 사출 성형에서 흔히 볼 수 있는 단순한 형태가 아니라 원통형으로 되어있고 두께도 복잡한 형상이므로 diaphragm gate를 사용하였고 sprue, gate, runner의 크기와 모양을 형상에 맞게 설계하였다. 충진 시 수지 유동 흐름 및 탈형 후 제품의 변형을 수치적으로 예측하였다. 또한 충진 시간을 최적화하고 게이트 고화 시간을 확인하였다. 부품의 변형을 줄이고 기계적 물성을 개선하기 위해 insert 사출 성형도 고려되었다. Insert 사출 성형 부분은 압력, 섬유 방향, 변형, 탄성계수 및 잔류응력분포 측면에서 평가되었다. Insert를 적용했을 때 부품의 변형이 현저하게 줄어드는 결과를 확인하였다. 추가로, 실제 제조 공정의 가능성을 보여주기 위해 시편을 제작하였고 열적, 기계적 및 점탄성 분석과 같은 물성을 수지 이송 성형으로 제조된 제품과 동일하게 측정하였다. 실제 사출 성형의 제조 가능성은 수지 이송 성형 공정에서 제조한 제품과 비교하여 검증되었다.

Design and analysis of an unified solid immersion lens for magneto-optical and pure-optical recording using near field theory

이문도 Graduate School, Yonsei University 2004 국내박사

컴퓨터 시스템과 인터넷 환경의 빠른 변화는 기존의 정보저장 장치의 고용량화 및 새로운 방식의 저장매체의 개발을 요구하고 있다. 지금까지 다양한 방법의 기록밀도를 향상시키는 방법이 소개되었다. 중요한 원리는 사용하는 레이저 광원의 파장을 줄이는 것과 대물렌즈의 개구수를 높이는데 있다. 그러나 공기 중에서의 개구수는 회절한계로 인하여 1보다 클 수가 없다. 따라서 대물렌즈에 의해 집광되는 빔의 직경은 파장보다 작을 수가 없게 된다. 본 연구에서는 이 한계를 극복하기 위하여 기존의 고체잠입렌즈와 대물렌즈를 근접장 이론을 이용하여 단일화된 고체잠입렌즈로 설계하였다. 이론적인 설계와 수치해석적인 설계를 수행하였고 사출을 통하여 직접 제작하였다. 이 단일화된 고체잠입렌즈의 설계를 위하여 스넬의 법칙, 페르마의 원리, 소멸파의 원리등을 이용하였다. 단일화된 고체 잡입렌즈와 기록매체 보호층의 재질은 폴리카보네이트와 유리를 사용하였고 반대로도 하였다. 단일화된 고체 잠입 렌즈의 두께는 4mm로 고정하고 기록매체 보호층의 두께를 0.1mm, 0.6mm, 1.2mm 등으로 하였다. 전체적으로 12가지 경우에 대하여 이론적인 설계와 수치적인 설계를 수행하였다. 모든 경우에 대하여 이론적인 광학 파라미터가 계산되고 비교되었다. 또한 수치적인 해석과정을 통하여 자이델의 5수차 (구면수차, 코마, 비점수차, 만곡수차, 왜곡수차)들이 최적화 되었다. 수치해석 결과를 바탕으로 실제의 단일화된 고체잡입렌즈를 사출과정을 통하여 제작된 렌즈의 광학적 특성치를 측정하였다. 측정된 특성치들을 이론적인 결과 및 수치적인 결과와 비교하였다. 제작된 렌즈를 이용하여 서환형 및 추기형 매체등에 기록실험을 수행하고 그 생성마크를 관찰하였다. 본 연구를 통하여 고밀도 광 기록시스템에 대한 새로운 방식의 고체잠입렌즈를 제안하였고 이의 심층 기록과 같은 유용성을 보였다. With the current fast change of computer system and internet environment, there are strong needs for much higher capacity data storage. Various methods have been studied so far related to this requirement. The main idea is reducing wave length of laser light source and amplifying the numerical aperture of object lens system. However, in conventional optical system, NA cannot exceed unity in the air due to diffraction limit. This means that the minimum size of recorded mark does not smaller than the wave length of laser light source. To overcome this limitation the conventional objective lens and ordinary SIL(Solid Immersion Lens) are redesigned in this study with single unified SIL(USIL) concept. Theoretical and numerical design methods were performed. Poly carbonate and glass are used for the material of USIL and cover layer, respectively. Several cover layer thickness such as 0.1mm, 0.6mm and 1.2mm are considered with 4mm thickness substrate. Totally 12 cases USIL design were performed theoretically and numerically. Through the numerical design process Seidel's five aberrations such as spherical aberration, coma, astigmatism, Petval field curvature, and distortion were optimized. With those theoretical and numerical results, USIL was manufactured by replicating process. Various optical characteristic parameters of the USIL were measured by beam profile projector and interferometer. The measured values were compared to theoretical and numerical values. By using replicated USIL, the recording process was carried out on CD-R/CD-RW/MO media and recorded marks were investigated. Through the work, the proposed USIL showed its effectiveness.

Geogrid와 Geotextile에 의한 地盤補强效果의 實驗 및 解析

손순종 全南大學校 1990 국내박사

本 硏究는 土質工學 分野에서도 比較的 새롭고 또한 現在 世界的으로 크게 注目되어 그 利用이 急速히 넓혀가고 있는 Geotextiel에 의한 補强效果에 대해서 論한 것인데, 本 硏究中 第 1次 硏究는 補强材料로서 새롭게 英國에서 開發된 延伸加工에 의한 高張力·低伸張 特性을 갖는 Geotextile類中 Grids(Net狀)를 利用한 흙 構造物 補强의 數値解析에 必要로 하는 剪斷剛性率 K_s와 그의 Machanism을 밝히기 위해 Pull-out試驗을 實施하여 引拔抵抗을 發現過程을 明確히 한 것이고, 또한 이를 根據로 K_s를 求하여 이를 利用한 數値解析에 대해서 考察하였다. 第 2次 硏究는 Geotextile類中 Mats(Sheet狀)를 우리나라 西海岸의 軟弱地盤補强에 現在 大量으로 사용되고 있음을 着眼하여, Mats를 利用한 軟弱地盤 補强效果의 解析을 試圖하여, 이들 Program들을 實際에 近似하도록 改良한 것인데, 첫번째의 數値解析法을 FEM 1 이라 하고, FEM 1 과 補强材의 力學的인 特性을 考慮한 解析方法과 比較檢討하여 提案한 解釋法이 두 번째 해석법인 FEM 2 이다. 本 硏究에서 얻어진 成果에 대해 總括하면 다음과 같다. (1) 흙속에서 Geogrid 가 引拔力을 받게 되면 Geogrid 에 나타난 引拔抵抗은 동일한 鉛直應力일 경우에도 均一한 값이 아니며 흙속의 Grid 節點의 變位와 함께 변한다. (2) 흙속의 Geogrid 의 引拔抵抗機構를 考察할 수 있는 解析方法을 나타냈으며, 이 技法의 妥當性이 數値解析效果와 比較함으로서 精度가 높다고 認定된다. (3) Geotextile을 設置한 경우, 또는 設置하지 않은 경우의 2次元 模型 軟弱地盤에 대하여 "Joint-with-Truss"理論에 입각한 解析方法 (FEM 1)을 適用한 結果 推定된 沈下樣相 (특히 隆起)은 觀測沈下量과 一致하지 않고 있다. 그러나 側方變位는 觀測値와 一致하고 있다. (4) 위의 (3)항을 補完修正하기 위하여 "Multi-Layer-Soil"理論을 基礎로 하여 開發한 解析方法 (FEM 2)에 의하면 推定値와 觀測値가 만족스럽게 一致한다는 사실이 模型地盤의 實驗으로 부터 確認되었다. (5) 盛土地盤을 Geogrid 로 補强한 경우 彈性모델에 의한 트러스要素 및 接合要素를 사용한 數値解析結果는 그 實用性이 認定되나 粘性土로 이루어진 軟弱地盤上에 Geotextile을 敷設하고 盛土荷重을 받을 때의 數値解析은 多層土 理論에 의한 解析技法을 권장한다. 이 理由로써 盛土에서는 壓密과는 관계없는 彈性모델을 사용해도 一般的인 合理性이 유지되지만 飽和粘性土의 軟弱地盤에서는 壓密이 필연적으로 수반되고 Geotextile層이 매우 얇기 때문에 통상의 壓密解析에 基礎한 多層土 理論을 사용해야 할 것으로 判斷된다. This study treats numerical analysis on the restraint effects of soft layer reinforced with geogrids and geotextiles which have been recently developed andwidely used all over the world. To begin with, soil structure reinforced with polymer grids developed originally in England wasscrutinized. Tne material has physical properties of high tension and low extention. Also numerical. analysis by FEN was carried out for model of soft clay foundation with / without mat of geotextile. Especially for performing numerical analysis, two techniques were comparatively examined among joint-with-truss theory and multi-layer soil theory. Main results summerized are as follows : (1) When the geogrids laid in soil is subjected to a pulling force, the distribution of pull-out resistance acting on the geogrids is not always uniform even at the same level of vertical stress but varies with the displacement of grids junctions in soil. (2) An analytical method which can consider the mechanism of pull-out resistance of the geogrids in soil described above is presented and a validity of the method is confirmed by comparisons of numerical restraints with the experimental ones. (3) In case of using the joint-with-truss theory for model of 2-dimensioned soft foundation with / without mats of the geotextiles, the shape of the predicted settlement is not consistent with that of the observed settlement which show the bulge phenomenon but the predicted lateral displacement is a little consistent with the oberved one, (4) In case of using the multi-layer soil theory the shape of the predicted settlement is well consistent with that of the oberved. Therefore a validity of the method is confirmed by comparisons with the experimental results. (5) Though as for reinforced earth with geogrids such as banking areas, the numerical method based on elastic joint with-truss theory proved to be practical, the powerful method using multi-layer-soil theory of geotextiles on the soft clayey layers.

Study on Projection Type Methods for Solving Navier-Stokes Equations and Numerical Experiments with Realistic Example : 나비에-스톡스 방정식을 풀기 위한 projection type 해법의 연구와 수치 실험

Deok-Kyu Jang 강원대학교 대학원 2010 국내석사

Navier-Stokes Equations (NSE), one of the parabolic type partial differential equations, represent a motion of the fluid with the non-linear term. To solve viscous incompressible NSE, lots of projection type methods are constructed and studied theoretically and numerically. In this paper, we introduce several representative projection methods which are Chorin method, gauge method, and Gauge-Uzawa method. The last one is the newest method which overcomes many disadvantages of procedures. So we carry out numerical tests with the Gauge-Uzawa method only. In the first test, we choose several conditions for the polynomial degree of basis functions, discretization parameters, and Reynolds number on both uniform and dented mesh. We obtain an interesting fact which numerical behaviors are independent on inf-sup condition on the uniform mesh. And then, we compare numerical simulations of Driven-Cavity with several Reynolds numbers including 10,000. We apply finite-element method (FEM) in all experiments and summarize the known theoretical results for them. Parabolic 편미분 방정식 중에 하나인 나비에-스톡스 방정식(NSE)는 점성을 가진 유체의 흐름을 기술하는 비선형 항목이 포함된 방정식 이다. Projection type 방법 은 비압축성 점성 NSE를 푸는데 유용하다고 알려져 있는 방법으로 이론,수치적으로 많은 발전을 해 왔다. 이 논문에서는 몇몇의 대표적인 projection 방법인 Chorin method gauge method 와 Gauge-Uzawa method를 소개하였다. 특히 Gauge-Uzawa method는 최근에 발표된 방법으로 앞선 방법들의 단점을 많이 해결한 방법이기 때문에 이 논문에서 주요한 수치 실험으로 사용되었다. 첫 번째 실험에서는 기저함수의 종류와 시간 공간의 분할 그리고 다양한 Reynolds number를 조건으로 하여 부드러운 함수의 수렴 정도를 파악하는 실험을 하였고 특히 정의역을 균등하게 분할 하는 경우와 불규칙하게 분할하는 것을 비교하여 결과를 살펴 보았다. 그 결과 정의역을 균등하게 분할한 경우는 discrete inf-sup condition에 영향을 받지 않는 흥미로운 사실을 얻을 수 있었다. 두 번째 실험은 Gauge-Uzawa method의 효율성과 정확성을 확인하기 위해 유명한 benchmark problem인 driven-cavity를 1, 10, 100, 1000, 10000의 다양한 reynolds number를 조건으로 하여 수치실험하였다. 모든 실험에는 유한 요소법(FEM)이 쓰였으며 각각의 수치적인 방법에 대해 잘 알려져 있는 수학적인 이론들도 논문에 포함되어 있다.

Numerical solutions of nonseparable elliptic equations using fast poisson solvers

문경숙 The Graduate School, Ewha Womans University 1997 국내박사

Numerical study on the optimal PCM cooling design for pouch cell battery

유지호 서울대학교 대학원 2023 국내석사

In this study, the suitability and optimal design of a battery cooling system utilizing PCM was examined. Comparing and analyzing each case's cooling performance, cooling uniformity, and power consumption while treating them-pure forced convection air cooling(PCM 0% case), hybrid cooling of air and PCM(PCM 16%, PCM 20%, PCM 28%, PCM 52% case) and pure PCM cooling(PCM 100% case)- as independent variables. Appropriate time step, mesh size and parameters related to phase change behavior were applied for residual convergence. The numerical analysis was given reliability by adhering to numerically minimum required values for residuals. The important physical phenomenon of‘unconstrained melting effect’which should be implemented to accurately predict the melting behavior of PCM was also confirmed numerically. In the interval where PCM undergoes melting, a higher content PCM case resulted in superior cooling performance compared to forced convection air cooling(PCM 0% case), primarily due to its elevated thermal conductivity, latent heat absorption during phase transition, and relatively higher heat capacity characteristic. After melting of the PCM was completed, the PCM 16% case exhibited the most efficient Cell cooling performance. Consequently, both the overall average and maximum values of Cell temperature during the cycle were observed to be the lowest in the PCM 16% case. The application of PCM demonstrated advantages in terms of lower Cell temperature deviation and a lower Cell temperature deviation increase rate compared to forced convection air cooling in both the PCM melting interval and the post-melting interval. Furthermore, the application of PCM confirmed its superiority in terms of power consumption compared to forced convection air cooling. 본 연구에서는 상변화물질(PCM)을 적용한 배터리 냉각시스템의 적절성 및 최적안을 고찰하였다. 중대형 배터리로서의 활용이 대두되는 파우치형 배터리 셀에 대한 냉각을 3차원 경계조건 및 실제 시스템의 체적을 유지하는 제한 내에서 연구를 진행한 의의가 있다. 순수 공냉(PCM 0% case)부터 공냉과 PCM의 하이브리드 냉각(PCM 16%, PCM 20%, PCM 28%, PCM 52% case) 및 순수 PCM 냉각(PCM 100% case)을 추구하는 각 Case를 독립변수로서 냉각 성능, 냉각 균일성, 소비전력 등을 비교 분석해보았다. 상변화 문제에 있어 상경계면에서의 열평형 방정식과 급변하는 점성, 밀도 등의 물리량은 수치해석 시 잔차 수렴성에 어려움을 주므로 적절 time step, 격자 크기, 상변화 거동 관련 매개변수를 선정하였고 잔차의 최소 기준을 준수하여 해석에 신뢰성을 부여 및 PCM의 융해 거동을 정확히 예측하는 데에 있어 구현되어야 할 중요한 물리적 현상인 Unconstrained melting 효과를 수치해석적으로 확인하였다. PCM의 융해가 일어나는 구간에서는 PCM의 함량이 높을수록 전도를 통한 빠른 열전달, 상변화 시 잠열 흡수 및 열용량이 큰 특성으로 인해 대류를 통한 냉각이 지배적인 공냉(PCM 0% case)보다 냉각 성능이 우수하였다. PCM의 융해가 완전히 종료된 후에는 PCM 16% case에서 Cell 냉각 성능이 가장 우수하였으며 결과적으로 Cell 온도의 사이클 전체적인 평균값과 최대값 또한 PCM 16% case에서 가장 낮게 관측되었다. PCM의 적용은 PCM의 융해 구간 및 융해 이후의 구간에서 각각 공냉 대비 낮은 Cell 온도편차와 Cell 온도편차 상승률을 보여 적용의 이점을 갖았다. 또, PCM의 적용은 공냉 대비 소비전력 측면에서도 우위를 갖음을 확인할 수 있었다.

Numerical study on the first-stage gas turbine rim seal system in aero-engine conditions

양효준 Graduate School, Yonsei University 2022 국내석사

항공용 가스터빈 림씰 시스템에는 RANS 및 URANS 수치기법, Scalable wall function을 포함한 Realizable 난류모델 및 씰링효율 분석을 위한 추가적인 스칼라 수송 방정식을 적용한다. 연구 결과는 수치적 접근법에 따른 림씰 시스템의 유동 특성과 주유로 고온 가스의 유입을 최소화하는 최소 씰링유량을 제시한다. 씰링유량이 17500이상일 때 씰링효율은 수치적 접근법의 영향을 거의 받지 않으며, 최소 씰링유량은 약 20000으로 선정하였다. In aviation gas turbine rim seal system, RANS and URANS numerical technique, Realizable  turbulence model with scalable wall function, and additional scalar transport equation for sealing effectiveness analysis are solved. Study results suggest flow characteristics of rim seal system according to numerical approach and minimum sealing flow rate that minimizes ingress of hot mainstream gas. When non-dimensional sealing flow rate is above 17500, sealing effectiveness is hardly affected by numerical approach and minimum sealing flow rate is selected as about 20000.

Numerical analysis and practical application of moving bottlenecks

Moon, Yeseul Graduate School, Yonsei University 2019 국내박사

The phenomenon of the capacity reduction caused by slow-moving vehicles on highways is defined as a moving bottleneck, which is differentiated from the bottlenecks that occur at fixed points(stationary bottleneck) owing to the physical and geometric conditions of roads. Newell(1998) used a moving coordinate to present the characteristics of a moving bottleneck occurring along a two-lane unidirectional highway clearly and reasonably. Therefore, this thesis analyzed the effect of moving bottlenecks on traffic flow numerically using Newell's theory and intended to demonstrate its validity. To facilitate the numerical analysis, the q–k relation should be simplified into the triangular form presented by Newell. To analyze bottlenecks that occur when the total numbers of input and output vehicles in the same space–time area are the same, the total delay and number of vehicles in congestion must be the same regardless of the movement of the bottleneck. Under this premise, three examples of moving bottlenecks were analyzed numerically using Newell's methodology. Comparing with the case of a stationary bottleneck under the same road and traffic conditions, the obtained results satisfied the aforementioned premise. However, the congestion duration due to the considered moving bottleneck was longer than that due to the stationary bottleneck because the bottleneck section moved downstream according to the speed of slow vehicles. When considering the time required for further travel until the driven bottleneck point, the total travel time in the entire space–time area was the same regardless of the movement of the bottleneck. Therefore, this paper considerably concludes the validity of the analysis methodology of moving bottlenecks presented by Newell numerically. Additionally, traffic characteristics of moving bottlenecks were derived as an analysis of the change in the speed of moving bottlenecks, arrival traffic flow rate, and capacity of roads. In this study, a moving bottleneck detection algorithm was proposed as a practical application of the analysis methodology of moving bottlenecks. The basic principle of the algorithm was to use speed data that varied with time and location to find the cases, where low speeds are continuously detected at three or more downstream points. A two-lane unidirectional highway was analyzed. First, a moving bottleneck was determined to occur when the areas with an average speed of less than 80 km/h were moving downstream according to the data. The developed algorithm was able to detect such low-speed areas, and through this algorithm, specific moving bottleneck occurrence points and their duration time were derived. To verify that the detected low-speed areas resulted from slow vehicles, the detection results were compared with video data only for Honam Branch Line, for which the video data were available. Therefore, the actual slow vehicles were confirmed to pass through the corresponding section, resulting in a decrease in the average speed of the section. The algorithm developed herein demonstrated that detecting low-speed areas moving downstream through real data is possible regardless of the detection of its causes. In the future, the proposed methodology for numerical analysis of moving bottlenecks is expected to calculate the maximum throughput for basic freeway segments and environmental impact analysis of moving bottlenecks. Additionally, the detection algorithm developed herein can contribute to the management of chronically congested sections. Detecting slow vehicles causing moving bottlenecks is expected to be easier in case the algorithm is constructed in conjunction with CCTV data. Future research includes developing a method for finding an optimal value of the detection reference speed of the algorithm and verifying it. 고속도로에서 저속으로 주행하는 차량에 의해 용량저하가 발생하는 현상을 이동병목으로 정의한다. 이는 차로수 감소구간이나 합류지점 등과 같이 도로의 기하구조적인 조건으로 인해 고정된 지점에서 발생하는 병목현상(이하 고정병목)과는 차별화된다. 이동병목에 관한 기존의 연구를 고찰한 결과, Newell은 이동좌표계를 활용하여 편도 2차로 고속도로에서 발생하는 이동병목의 특성을 명확하고 합리적으로 제시하였다. 따라서, 본 연구에서는 Newell의 이론을 활용하여 이동병목이 교통류에 미치는 영향을 수치적으로 해석하고, 이 이론의 유효성을 입증하고자 하였다. 이동병목에 의해 발생하는 혼잡의 영향을 분석하고, 그 결과를 정량적인 수치로 도출하기 위해서는 Newell이 제시한 삼각형 형태로 단순화한 교통량-밀도 관계식을 활용하여야 한다. 이에 대한 유효성은 Son & Hurdle이 입증한 바 있다. 총입력차량수와 총출력차량수가 같은 동일한 시공간영역내에서 발생한 병목현상을 분석하면, 병목의 이동여부에 관계없이 총지체와 지체경험차량수는 당연히 같아야 한다. 이러한 전제하에, Newell이 제시한 이동병목 현상의 해석방법론으로 다음과 같은 세 개의 예제를 분석하였다. 첫째, 단일 이동병목이 발생하는 경우 둘째, 이동병목이 하류부에 존재하는 고정병목과 중첩되는 경우 셋째, 두 개의 이동병목이 중첩되는 경우 모든 도로 및 교통조건이 동일한 조건에서 이동병목과 고정병목을 비교한 결과, 위에서 언급한 전제를 만족시키는 것으로 확인되었다. 단, 이동병목에 의한 혼잡지속시간은 병목이 저속차량속도에 따라 하류부로 이동하기 때문에 고정병목에 비해 길었다. 하지만, 병목구간이 이동한 만큼 추가로 주행하는데 소요되는 시간을 감안하면, 전체 시공간영역 내에서 소요되는 총 시간은 병목의 이동여부에 관계없이 동일하다. 따라서, 본 논문에서는 중요한 결론으로 Newell이 제시한 이동병목 현상의 해석방법론의 유효함이 수치적으로 입증되었음을 얻었다. 또한, 이동병목의 다양한 조건이 변화함에 따른 교통류 특성의 변화를 분석을 통해 도출하였다. 이동병목의 속도가 증가할수록 혼잡이 종료되는 지점이 차량 진행방향을 따라 더욱 멀어지며, 혼잡영역 내의 밀도는 낮아지고, 혼잡영역 내의 주행 속도는 증가한다. 이동병목을 통과할 수 있는 최대 통과 교통류율의 범위는 1차로 용량에서 2차로 용량 사이에 존재하며, 이동병목의 속도가 증가함에 따라 최대 통과 교통류율도 증가한다. 이동병목 구간으로 진입하는 교통류율이 1차로 용량을 초과하면 혼잡이 발생하기 시작하며, 진입 교통량이 증가할수록 혼잡영역이 넓어진다. Newell이 제시한 이동병목이론은 유효하며, 이동병목 현상을 해석하기에 효과적임이 입증되었으므로, 이를 실제 병목현상에 적용하는 방안으로 본 연구에서는 이동병목 검지알고리즘을 새롭게 제시하였다. 실제 고속도로 데이터의 분석을 통해 얻은 이동병목의 혼잡패턴을 알고리즘으로 검지하고, 알고리즘의 검지 능력을 확인하고자 하였다. 이동병목 검지알고리즘의 기본 원리는 시간 및 위치에 따라 변화하는 속도데이터를 활용하여, 총 3개 이상의 연속된 지점에서 저속이 검지 되는 경우를 찾아내는 방식으로 설정하였다. 분석대상 고속도로는 편도 2차로 고속도로로 한정하였으며, 영동고속도로, 호남선지선고속도로, 남해고속도로를 대상으로 분석을 진행하였다. 먼저, 고속도로 데이터에서 속도가 80km/h 미만인 저속영역이 하류부로 이동하는 현상이 나타나는 경우, 이동병목이 발생한 것으로 판단하였다. 개발한 알고리즘은 이러한 저속영역의 검지가 가능하였고, 이를 통해 구체적인 이동병목의 발생 지점 및 지속 시간을 도출하였다. 알고리즘을 통해 검지된 이동병목에 의한 혼잡영역은 짧게는 3개의 검지기를 지나는 구간(약 1.7km)에서 길게는 7개의 구간(약 10.6km)에 걸쳐 발생하였다. 검지된 저속영역이 실제 저속차량에 의해 발생하였음을 확인하고자 영상자료가 존재하는 호남선지선고속도로에 한하여 검지 결과를 영상자료와 대조하였다. 그 결과, 실제 저속차량이 해당 구간을 통과함으로 인해 평균통행속도의 저하가 발생하였음이 확인되었다. 본 연구에서 개발된 알고리즘은 저속영역의 발생 원인의 검지 가능 여부와 관계없이 실제 데이터를 통해 하류부로 움직이는 저속영역을 검지하는 능력은 충분히 입증됨을 밝히는 바이다. 끝으로 본 연구 결과에 대한 추가적인 활용방안 및 향후 연구과제를 다음과 같이 제안한다. 이동병목 현상의 수치적 해석 방법론은 향후 고속도로 기본구간 분석 시 최대 통과 교통류율 산정방법에 적용할 수 있을 것이며, 이동병목의 환경적 영향 분석에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 본 연구에서 개발한 검지알고리즘의 결과를 이동병목에 의한 상습적인 혼잡 지점을 평가하는 지표로써 활용한다면, 고속도로 관리를 위한 정책적 기여가 충분히 가능할 것이다. 또한, 알고리즘이 실시간으로 수집되는 CCTV 영상자료와 연계되어 구축된다면, 이동병목의 원인이 되는 저속차량의 검지에 용이할 것으로 기대되는 바이다. 알고리즘의 검지 기준속도의 최적값을 찾고, 이를 검증하는 방법에 대해서는 향후 발전시켜야 할 과제로 남겨두고자 한다.

Numerical Analysis of Linear and Nonlinear Schrodinger Equations on Quantum Graphs

Conte, Gracie ProQuest Dissertations & Theses The University of 2022 해외박사(DDOD)

A wide variety of problems in quantum mechanics can be modeled with Schrodinger-type equations on quantum graphs. More specifically, graphs are useful for simplifying models of physical systems that feature nano-scaled branching structures. Since analytical solutions can only be found for a few trivial cases, it is necessary to consider how to accurately solve this type of problem numerically. While a wide variety of tools exist to solve these types of partial differential equations on lines, this is not well studied in the case of graphs - one critical difference between the two cases being that graphs require more complicated boundary conditions. This paper utilizes a new approach to include the boundary conditions in the discretized operator that preserves high levels of accuracy. Thus, a proper time evolution scheme must work in conjunction with a spatial operator that has incorporated boundary conditions and preserve the accuracy of our spatial component, and this is accomplished by implementing methods from differential algebraic equations. We study the numerical computation of linear and nonlinear states for Schrodinger equations on graphs, as well as numerically compute their linear stability properties. The latter result has implications for the future study of relative periodic orbits on graphs. All numerical components are being adapted into a MATLAB software package called QGLAB jointly with Roy Goodman on Github.