Mesoscale simulation is a type of molecular simulation techniques where groups of atoms are defined as a single bead for calculations, and accordingly, is possible to simulate longer time ($ns{\sim}{\mu}s$) and bigger size ($nm{\sim}{\mu}m$). There are two types of mesoscale simulations : (1) particle-based mesoscale which simulates the system by calculating the movement of the particles themselves and (2) field theory which simulates the system by calculating changes in the chemical potential filed or density field. Mesoscale simulations are powerful tools to study the macroscopic properties of polymers for various applications of energy and environment. In this review, we report the trends and useful information in mesoscale simulation and provide an opportunity for membrane researchers working in the energy-environment field to understand mesoscale simulation techniques.
Concrete is a heterogeneous material exhibiting quasi-brittle behaviour. While homogenization of concrete is commonly accepted in general engineering applications, a detailed description of the material heterogeneity using a mesoscale model becomes desirable and even necessary for problems where drastic spatial and time variation of the stress and strain is involved, for example in the analysis of local damages under impact, shock or blast load. A mesoscale model can also assist in an investigation into the underlying mechanisms affecting the bulk material behaviour under various stress conditions. Extending from existing mesoscale model studies, where use is often made of specialized codes with limited capability in the material description and numerical solutions, this paper presents a mesoscale computational model developed under a general-purpose finite element environment. The aim is to facilitate the utilization of sophisticated material descriptions (e.g., pressure and rate dependency) and advanced numerical solvers to suit a broad range of applications, including high impulsive dynamic analysis. The whole procedure encompasses a module for the generation of concrete mesoscale structure; a process for the generation of the FE mesh, considering two alternative schemes for the interface transition zone (ITZ); and the nonlinear analysis of the mesoscale FE model with an explicit time integration approach. The development of the model and various associated computational considerations are discussed in this paper (Part 1). Further numerical studies using the mesoscale model for both quasi-static and dynamic loadings will be presented in the companion paper (Part 2).
Mesoscale low is often observed over the downstream region of the East Sea (or, northwest coast off the Japan Islands) during East-Asia winter monsoon. The low system causes a heavy snowfall at the region. A series of numerical experiments were conducted with the aid of a regional model (MM5 ver. 3.5) to examine the formation mechanism of the mesoscale low. The following results were obtained: 1) A well-developed mesoscale low was simulated by the regional model under real topography, NCEP reanalysis, and OISST; 2) The mesoscale low was simulated under a zonally averaged SST without topography. This implies that the meridional gradient of SST is the main factor in the formation of a mesoscale low; 3) A thermal contrast ($>10^{\circ}C$) of land-sea and topography-induced disturbance served as the second important factor for the formation; 4) Paektu Mountain caused the surface wind to decelerate downstream, which created a more favorable environment for thermodynamic modification than that was found in a flat topography; and 5) The types of cumulus parameterizations did not affect the development of the mesoscale low.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.7
no.2
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pp.105-113
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1991
An investigation is carried out for the role of topography in governign the mesoscale distribution of $SO_2$ concentration in Seoul. The three dimensional wind fields computed for a given synoptic meteorological condition by an atmospheric mesoscale model in the terrain following coordinate have been employed to compute the three dimensional mesoscale distributions of $SO_2$ concentration by the diffusion model in Seoul area. Terrain may affect the mesoscale distributions of $SO_2$ concentration through its influence on the mesoscale wind fields. This study discusses only the terrain effect on the concentration through its modification of the wind. This effect is to produce higher concentration in lower area according to the structure of divergence fields derived from and atmospheric mesoscale model.
This study presents a random-aggregate mesoscale model integrating the random distribution of the coarse aggerates and the damage mechanics of the mortar and interfacial transition zone (ITZ). This mesoscale model can generate the random distribution of the coarse aggregates according to the prescribed particle size distribution which enables the automation of the current methodology with different coarse aggregates' distribution. The main innovation of this work is to propose the "correction factor" to eliminate the dimensionally dependent mesh sensitivity of the concrete damaged plasticity (CDP) model. After implementing the correction factor through the user-defined subroutine in the randomly meshed mesoscale model, the predicted fracture resistance is in good agreement with the average experimental results of a series of geometrically similar single-edge-notched beams (SENB) concrete specimens. The simulated cracking pattern is also more realistic than the conventional concrete material models. The proposed random-aggregate mesoscale model hence demonstrates its validity in the application of concrete fracture failure and statistical size effect analysis.
Land-surface and soil processes significantly affect mesoscale local weather systems as well as global/regional climate. In this study, characteristics of land-surface models (LSMs) and soil models (SMs) that are frequently coupled into mesoscale meteorological models are investigated. In addition, detailed analyses on three LSMs, employed by the PSU/NCAR MM5, are provided. Some impacts of LSMs on heavy rainfall prediction are also discussed.
Changes in chemical structure have profound effects on the physical properties of epoxy-based materials, and eventually affect the durability of the entire system. Microscopic structural voids generally existing in the epoxy cross-linked networks have a detrimental influence on the epoxy mechanical properties, but the relation remains elusive, which is hindered by the complex structure of epoxy-based materials. In this paper, we investigate the effect of structural voids on the epoxy-based materials by using our developed mesoscale model equipped with the concept of multiscale modeling, and SU-8 photoresist is used as a representative of epoxy-based materials. Developed from the results of full atomistic simulations, the mesoscopic model is validated against experimental measurements, which is suitable to describe the elastic deformation of epoxy-based materials over several orders of magnitude in time- and length scales. After that, a certain quantity of the structure voids is incorporated in the mesoscale model. It is found that the existence of structural voids reduces the tensile stiffness of the mesoscale epoxy network, when compared with the case without any voids in the model. In addition, it is noticed that a certain number of the structural voids have an insignificant effect on the epoxy elastic properties, and the mesoscale model containing structural voids is close to those found in real systems.
In this paper, mesoscale optical surface structures are found to possess both geometric and wave optics features. The study reveals that geometric optic analysis cannot correctly predict the experimental results of light transmission or reflection by mesoscale optical structures, and that, for reliable analyses, a hybrid approach incorporating both geometric and wave optic theories should be employed. By analyzing the transmission patterns generated by the mesoscale periodic pyramid prism plates, we show that the wave optic feature is mainly ascribed to the edge diffraction effect and we estimate the relative contributions of the wave optic diffraction effect and the geometric refraction effect to the total scattering field distribution with respect to the relative dimension of the structures.
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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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