Large-eddy simulations of the flow around a circular cylinder at a Reynolds number, based on cylinder diameter and free-stream velocity, $Re_D=2{\times}10^4$ are presented. Three different dynamic subgrid-scale models are used, viz. the dynamic eddy-viscosity model and two different mixed two-parameter models. The sensitivity to grid refinement in the spanwise and radial directions is systematically investigated. For the highest resolution considered, the effects of subgrid-scale modeling are also discussed in detail. In particular, it is shown that SGS modeling has a significant influence on the low-frequency modulations of the aerodynamics loads, which are related to significant changes in the near wake structure.
Background: Thanks to the development of the mathematical/statistical reverse engineering and the high-throughput measuring biotechnology, lots of biologically meaningful genegene interaction networks have been revealed. Steady-state analysis of these systems provides an important clue to understand and to predict the systematic behaviours of the biological system. However, modeling such a complex and large-scale system is one of the challenging difficulties in systems biology. Results: We introduce a new stochastic modeling approach that can describe gene regulatory mechanisms by dividing two (DNA and protein) layers. Simple queuing system is employed to explain the DNA layer and the protein layer is modeled using G-networks which enable us to account for the post-translational protein interactions. Our method is applied to a transcription repression system and an active protein degradation system. The steady-state results suggest that the active protein degradation system is more sensitive but the transcription repression system might be more reliable than the transcription repression system. Conclusions: Our two layer stochastic model successfully describes the long-run behaviour of gene regulatory networks which consist of various mRNA/protein processes. The analytic solution of the G-networks enables us to extend our model to a large-scale system. A more reliable modeling approach could be achieved by cooperating with a real experimental study in synthetic biology.
Rukavina, Ivan;Ibrahimbegovic, Adnan;Do, Xuan Nam;Markovic, Damijan
Coupled systems mechanics
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제8권2호
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pp.111-127
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2019
In this paper, we present a 2D multi-scale coupling computation procedure for localized failure. When modeling the behavior of a structure by a multi-scale method, the macro-scale is used to describe the homogenized response of the structure, and the micro-scale to describe the details of the behavior on the smaller scale of the material where some inelastic mechanisms, like damage or plasticity, can be defined. The micro-scale mesh is defined for each multi-scale element in a way to fit entirely inside it. The two scales are coupled by imposing the constraint on the displacement field over their interface. An embedded discontinuity is implemented in the macro-scale element to capture the softening behavior happening on the micro-scale. The computation is performed using the operator split solution procedure on both scales.
This study's primary aim is to check the existence of a representative volume element for granular materials and determine the link between the properties (responses) of macro structures and the size of the discrete particle assembly used to represent a constitutive relation in a two-scale model. In our two-scale method the boundary value problem on the macro level was solved using finite element method, based on the Cosserat continuum; the macro stresses and modulus were obtained using a solution of discrete particle assemblies at certain element integration points. Meanwhile, discrete particle assemblies were solved using discrete element method under boundary conditions provided by the macro deformation. Our investigations focused largely on the size effects of the discrete particle assembly and the radius of the particle on macro properties, such as deformation stiffness, bearing capacity and the residual strength of the granular structure. According to the numerical results, we suggest fitting formulas linking the values of different macro properties (responses) and size of discrete particle assemblies. In addition, this study also concerns the configuration and displacement fluctuation of discrete particle assemblies on the micro level, accompanied with the evolution of bearing capacity and deformation on the macro level.
최근 전기비저항탐사는 산악과 같은 지형의 기복이 심한 지역에서도 널리 수행되고 있다. 그러나 이러한 지형의 기복은 전기비저항 탐사자료의 왜곡을 유발하며, 잘못된 해석의 원인이 될 수도 있다. 본 논문에서는 전기비저항탐사에서의 지형효과를 유한요소법에 의한 수치모델링과 축소모형의 두 종류의 모형실험을 통하여 분석하였다. 한편 축소모형실험을 연못에서 수행함으로써, 실내 수조 모형실험에서 문제가 될 수 있는 가장자리 효과를 피할 수 있었다. 다양한 경사를 갖는 능선과 계곡 지형 모형에 대하여 모형실험을 수행하였으며, 두 종류의 실험결과가 실험한 모든 지형모형에 대하여 서로 잘 부합됨을 확인하였다. 분석결과, 계곡모델은 계곡의 중심부에 낮은 겉보기비저항대가 분포하고 그 좌우에 높은 겉보기비저항대가 나타나는 양상을 보이며, 능선모델은 그 반대의 양상을 보인다. 또한 능선 및 계곡 모두 그 경사가 심할 경우에는 음의 겉보기비저항을 나타낼 수도 있음을 확인하였다. 따라서 전기비저항 탐사 자료의 해석시 지형효과를 꼭 고려해야 할 것으로 판단된다.
A three-dimensional mesoscale atmospheric dispersion modeling system consisting of the Lagrangian particle dispersion model (LPDM) and the meteorological mesoscale model (MM5) was employed to simulate the transport and dispersion of non-reactive pollutant during the nuclear spill event occurred from Sep. 31 to Oct. 3, 1999 in Tokaimura city, Japan. For the comparative analysis of numerical experiment, two more sets of foreign mesoscale modeling system; NCEP (National Centers for Environmental Prediction) and DWD (Deutscher Wetter Dienst) were also applied to address the applicability of air pollution dispersion predictions. We noticed that the simulated results of horizontal wind direction and wind velocity from three meteorological modeling showed remarkably different spatial variations, mainly due to the different horizontal resolutions. How-ever, the dispersion process by LPDM was well characterized by meteorological wind fields, and the time-dependent dilution factors ($\chi$/Q) were found to be qualitatively simulated in accordance with each mesocale meteorogical wind field, suggesting that LPDM has the potential for the use of the real time control at optimization of the urban air pollution provided detailed meteorological wind fields. This paper mainly pertains to the mesoscale modeling approaches, but the results imply that the resolution of meteorological model and the implementation of the relevant scale of air quality model lead to better prediction capabilities in local or urban scale air pollution modeling.
Significant advances in computational performance have occurred over the past two decades, achieved not only by the introduction of more powerful processors but the incorporation of parallelism in computer hardware at all levels. Simultaneous with these hardware and associated system software advances have been advances in modeling physical phenomena and the numerical algorithms to allow their usage in simulation. This paper presents a review of the advances in computer performance, discusses the modeling and simulation capabilities required to address the multi-physics and multi-scale phenomena applicable to a nuclear reactor core simulator, and present examples of relevant physics simulation codes' performances on high performance computers.
To study numerically the mechanical behaviors of advanced composite materials considering the microscopic phenomena as well as the macroscopic properties and behaviors, a multi-scale modeling and analysis by the mathematical homogenization method with the help of the finite element method(FEM) are reviewed. The hierarchical modeling strategy and the formulation are briefly described first to give some idea of the multi-scale framework. The latter half of this article focuses on the verification of the multi-scale analysis by the homogenization method in its applications to real advanced materials. The first example is the verification of the predicted macroscopic(homogenized) properties based on the microstructure of porous ceramics. In spite of the complexity of the random microstructure, the error between the predicted and the measured values was only 1%. Next, two applications to the process simulation of fiber reinforced polymer matrix composites are presented. The permeability characteristics are evaluated for sheared weave fabrics for resin transfer molding(RTM) simulation, and the thermoforming of FRTP sheet is analyzed considering the large deformation of the knit structure during the deep-draw forming was verified by comparison with the experimental results.
Haptic rendering is a process that provides force feedback during interactions between a user and an object. This paper presents a haptic rendering technique for a telemanipulation system of deformable objects using image processing and physically based modeling techniques. The interaction forces between an instrument driven by a haptic device and a deformable object are inferred in real time based on a continuum mechanics model of the object, which consists of a boundary element model and ${\alpha}$ priori knowledge of the object's mechanical properties. Macro- and micro-scale experimental systems, equipped with a telemanipulation system and a commercial haptic display, were developed and tested using silicone (macro-scale) and zebrafish embryos (micro-scale). The experimental results showed the effectiveness of the algorithm in different scales: two experimental systems applied the same algorithm provided haptic feedback regardless of the system scale.
A multi-scale (macro-micro) finite element framework for analysis of polycrystalline solids is suggested. The proposed frame work is strongly-coupled in a sense that the two scale calculation is performed at the same time. The issue of averaging micro-scale material stress and stiffness is addressed and a strategy is proposed. The proposed framework is implemented and applied to two examples having different geometries and loading modes. It is concluded that the proposed multi-scale framework can be used for more detailed and accurate analysis compared with the single-scale finite element analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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