Fracture near the U-10Mo/cladding material interface impacts fuel service life. In this work, a mesoscale stress model is developed with the fuel foil considered as a porous medium having gas bubbles and bearing bubble pressure and surface tension. The models for the evolution of bubble volume fraction, size and internal pressure are also obtained. For a U-10Mo/Al monolithic fuel plate under location-dependent irradiation, the finite element simulation of the thermo-mechanical coupling behavior is implemented to obtain the bubble distribution and evolution behavior together with their effects on the mesoscale stresses. The numerical simulation results indicate that higher macroscale tensile stresses appear close to the locations with the maximum increments of fuel foil thickness, which is intensively related to irradiation creep deformations. The maximum mesoscale tensile stress is more than 2 times of the macroscale one on the irradiation time of 98 days, which results from the contributions of considerable volume fraction and internal pressure of bubbles. This study lays a foundation for the fracture mechanism analysis and development of a fracture criterion for U-10Mo monolithic fuels.
Terrain height variance spectra for the Korean mountain region are calculated in order to determine an adequate grid size required to resolve terrain forcing on mesoscale model simulation. One-dimensional spectral analysis is applied to specifically the central-eastern part of the Korean mountain region, where topographical-scale forcing has an important effect on mesoscale atmospheric flow. It is found that the terrain height variance spectra in this mountain region has a wavelength dependence with the power law exponents of 1.5 at the wavelength near 30 km, but this dependence is steeply changed to 2.5 at the wavelength less than 30 km. For the adequate horizontal grid size selection on mesoscale simulation two-dimensional terrain height spectral analysis is also performed. There is no directionality within 50% of spectral energy region, so one-dimensional spectral analysis can be reasonably applied to the Korea Peninsula. According to the spectral analysis of terrain height variance, the finer grid size which is higher than 6 km is required to resolve a 90% of terrain variance in this region. Numerical simulation using WRF (Weather Research and Forecasting Model) was performed to evaluate the effect of different terrain resolution in accordance with the result of spectral analysis. The simulated results were quantitatively compared to observations and there was a significant improvement in the wind prediction across the mountain region as the grid space decreased from 18 km to 2 km. The results will provide useful guidance of grid size selection on mesoscale topographical simulation over the Korean mountain region.
As a brittle and heterogeneous material, concrete behaves differently under different stress conditions and its bulk strength is loading rate dependent. To a large extent, the varying behavioural properties of concrete can be explained by the mechanical failure processes at a mesoscopic level. The development of a computational mesoscale model in a general finite element environment, as presented in the preceding companion paper (Part 1), makes it possible to investigate into the underlying mechanisms governing the bulk-scale behaviour of concrete under a variety of loading conditions and to characterise the variation in quantitative terms. In this paper, we first present a series of parametric studies on the behaviour of concrete material under quasi-static compression and tension conditions. The loading-face friction effect, the possible influences of the non-homogeneity within the mortar and ITZ phases, and the effect of randomness of coarse aggregates are examined. The mesoscale model is then applied to analyze the dynamic behaviour of concrete under high rate loading conditions. The potential contribution of the mesoscopic heterogeneity towards the generally recognized rate enhancement of the material compressive strength is discussed.
Du, Chengbin;Jiang, Shouyan;Qin, Wu;Xu, Hairong;Lei, Dong
Computers and Concrete
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제10권2호
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pp.135-147
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2012
At mesoscale, concrete is considered as a three-phase composite material consisting of the aggregate particles, the cement matrix and the interfacial transition zone (ITZ). The reconstruction of the internal structures for concrete composites requires the identification of the boundary of the aggregate particles and the cement matrix using digital imaging technology followed by post-processing through MATLAB. A parameter study covers the subsection transformation, median filter, and open and close operation of the digital image sample to obtain the optimal parameter for performing the image processing technology. The subsection transformation is performed using a grey histogram of the digital image samples with a threshold value of [120, 210] followed by median filtering with a $16{\times}16$ square module based on the dimensions of the aggregate particles and their internal impurity. We then select a "disk" tectonic structure with a specific radius, which performs open and close operations on the images. The edges of the aggregate particles (similar to the original digital images) are obtained using the canny edge detection method. The finite element model at mesoscale can be established using the proposed image processing technology. The location of the crack determined through the numerical method is identical to the experimental result, and the load-displacement curve determined through the numerical method is in close agreement with the experimental results. Comparisons of the numerical and experimental results show that the proposed image processing technology is highly effective in reconstructing the internal structures of concrete composites.
A quasi depth-varying mathematical model for wind-generated circulation in coastal areas, expressed in terms of the depth-averaged horizontal velocity components and free surface elevation was validated and used to understand the diurnal circulation process. The wind velocity is considered as a dominant factor for driving the current. In this paper, three-dimensional numerical experiments that included the land topography were used to investigate the mesoscale air flaw over the coastal regions. The surface temperature of the inland area was determined through a surface heat budget consideration with the inclusion of a layer of vegetation.A series of numerical experiments were then carried out to investigate the diurnal response of the air flaw and wind-generated circulation to various types of surface inhomogeneities.
Three dimensional numerical experiments that included the land-use transformation by the large scale reclamation were used to investigate the mesoscale air flow over the coastal regions. In this paper the surface temperature of the inland was determined through the surface heat budget consideration with inclusion of a layer of vegetation. The vertical diffusion coefficients of momentum, heat and specific humidity in the constant flux layer were taken from the Mellor and Yamada(1975). It has shown that the resulting model is able to reproduce the air circulation in coastal regions, and the simulated characteristics agree with the known properties of this circulation. A series of numerical experiments were then carried out to investigate the diurnal response of the air flow to various types of surface inhomogeneities.
The response of concrete structures subjected to shock and blast load involves a rapid transient phase, during which material breach may take place. Such an effect could play a crucial role in determining the residual state of the structure and the possible dispersion of the fragments. Modelling of the transient phase response poses various challenges due to the complexities arising from the dynamic behaviour of the materials and the numerical difficulties associated with the evolving material discontinuity and large deformations. Typical modelling approaches include the traditional finite element method in conjunction with an element removal scheme, various meshfree methods such as the SPH, and the mesoscale model. This paper is intended to provide an overview of several alternative approaches and discuss their respective applicability. Representative concrete material models for high pressure and high rate applications are also commented. Several recent application studies are introduced to illustrate the pros and cons of different modelling options.
To evaluate the deposition amount on a ground surface, mesoscale numerical models coupled with atmospheric chemistry are widely used for larger horizontal domains ranging from a few to several hundreds of kilometers; however, these models are rarely applied to high-resolution simulations. In this study, the performance of a dry and wet deposition model is investigated to estimate the amount of deposition via computational fluid dynamics (CFD) models with high grid resolution. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulations are implemented for a cone and a two-dimensional ridge to estimate the dry deposition rate, and a constant deposition velocity is used to obtain the dry deposition flux. The results show that the dry deposition rate of RANS generally corresponds to that observed in wind-tunnel experiments. For the wet deposition model, the transport equation of a new scalar concentration scavenged by rain droplets is developed and used instead of the scalar concentration scavenged by raindrops falling to the ground surface just below the scavenging point, which is normally used in mesoscale numerical models. A sensitivity analysis of the proposed wet deposition procedure is implemented. The result indicates the applicability of RANS for high-resolution grids considering the effect of terrains on the wet deposition.
Dispersion characteristics of air pollutants in the mountainous coastal area are investigated in considering with the mesoscale local circulations using a two dimensional numerical model with two kinds of topograpy of 500m and 300m. In the model, land-sea breezes and mountain-valley wind are mainly considered under the condition of the absence of large scale prevailing flow in the circulation analysis, and the pollutants dispersion is traced by the Lagrangian methods. According to the results, the wind velocity is affected by topography and is stronger in the case of 500m height mountain than that of 300m, the Pollutants that source is near the coast transported over the mountain and dispersed to behind inland area. It is classified that the topography change control affects the wind velocity and the circulations. The pollutants that source is different transported and concentrated to behind inland and/or diffused to the sea area by the combination of the wind system with topographic changes. The results can be applied to the air pollution control with the arrangement design of industrial area and the planning of coastal developments.
흐름의 연직분포를 가정하여 수면에서 바닥까지 적분하여 평균화한 방정식에 기초한 준2차원 흐름모형을 연안해역에서의 취송류해석을 위해 적용되었다. 바람장의 변동에 따른 취송류장의 변동이 크게 나타나므로 본 연구에서는 육상지형의 영향을 고려할 수 있는 3차원 중규모 지역기상장 모형을 통해 연안해역에서의 시간에 따른 바람장변동을 수치해석 하였다. 육상에서의 지표면 열수지 변화를 위해 식생모델을 적용하였다. 기상장과 취송류 해석을 위한 수치모형실험결과 바람장의 변동에 따른 연안역에서의 흐름특성을 효과적으로 예측하고 있음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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