Stonecutters Bridge of Hong Kong is a cable-stayed bridge with two single-column pylons each 298 m high and an aerodynamic twin deck. The total length of the bridge is 1596 m with a main span of 1018 m. The top 118 m of the tower will comprise structural steel and concrete composite while the bottom part will be of reinforced concrete. The bridge deck at the central span will be of steel whilst the side spans will be of concrete. Stonecutters Bridge has adopted a twin-girder deck design with a wide clear separation of 14.3 m between the two longitudinal girders. Although a number of studies have been conducted to investigate the aerodynamic performance of twin-girder deck, the actual real life application of this type of deck is extremely limited. This therefore triggered the need for conducting the present studies, the main objective of which is to investigate the performance of Stonecutters Bridge against flutter at its in-service stage as well as during construction. Based on the flutter derivatives obtained from the 1:80 scale rigid section model experiment, flutter analysis was carried out using 3-D finite element based single parameter searching method developed by the second author of this paper. A total of 6 finite element models of the bridge covering the in-service stage as well as 5 construction stages were established. The dynamic characteristics of the bridge associated with these stages were computed and applied in the analyses. Apart from the critical wind speeds for the onset of flutter, the dominant modes of vibration participating in the flutter vibration were also identified. The results indicate that the bridge will be stable against flutter at its in-service stage as well as during construction at wind speeds much higher than the verification wind speed of 95 m/s (1-minute mean).
A series of wind tunnel sectional model dynamic tests of a twin-deck bridge were conducted at the CLP Power Wind/Wave Tunnel Facility (WWTF) of The Hong Kong University of Science and Technology (HKUST) to investigate the effects of gap-width on the self-excited vibrations and the dynamic and aerodynamic characteristics of the bridge. Five 2.9 m long models with different gap-widths were fabricated and suspended in the wind tunnel to simulate a two-degrees-of-freedom (2DOF) bridge dynamic system, free to vibrate in both vertical and torsional directions. The mass, vertical frequency, and the torsional-to-vertical frequency ratio of the 2DOF systems were fixed to emphasize the effects of gap-width. A free-vibration test methodology was employed and the Eigensystem Realization Algorithm (ERA) was utilized to extract the eight flutter derivatives and the modal parameters from the coupled free-decay responses. The results of the zero gap-width configuration were in reasonable agreement with the theoretical values for an ideal thin flat plate in smooth flow and the published results of models with similar cross-sections, thus validating the experimental and analytical techniques utilized in this study. The methodology was further verified by the comparison between the measured and predicted free-decay responses. A comparison of results for different gap-widths revealed that variations of the gap-width mainly affect the torsional damping property, and that the configurations with greater gap-widths show a higher torsional damping ratio and hence stronger aerodynamic stability of the bridge.
Section model test, as the most commonly used method to evaluate the aerostatic and aeroelastic performances of long-span bridges, may be carried out under different conditions of incoming wind speed, geometric scale and wind tunnel facilities, which may lead to potential Reynolds number (Re) effect, model scaling effect and wind tunnel scale effect, respectively. The Re effect and scale effect on aerostatic force coefficients and aeroelastic characteristics of streamlined bridge decks were investigated via 1:100 and 1:60 scale section model tests. The influence of auxiliary facilities was further investigated by comparative tests between a bare deck section and the deck section with auxiliary facilities. The force measurement results over a Re region from about 1×105 to 4×105 indicate that the drag coefficients of both deck sections show obvious Re effect, while the pitching moment coefficients have weak Re dependence. The lift coefficients of the smaller scale models have more significant Re effect. Comparative tests of different scale models under the same Re number indicate that the static force coefficients have obvious scale effect, which is even more prominent than the Re effect. Additionally, the scale effect induced by lower model length to wind tunnel height ratio may produce static force coefficients with smaller absolute values, which may be less conservative for structural design. The results with respect to flutter stability indicate that the aerodynamic-damping-related flutter derivatives 𝘈*2 and 𝐴*1𝐻*3 have opposite scale effect, which makes the overall scale effect on critical flutter wind speed greatly weakened. The most significant scale effect on critical flutter wind speed occurs at +3° wind angle of attack, which makes the small-scale section models give conservative predictions.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.28
no.5
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pp.717-727
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2004
In this study, we simulate the aerodynamic sounds generated by a two-dimensional circular cylinder in a uniform flow are simulated by applying the finite difference lattice Boltzmann method (FDLBM). The third-order-accurate up-wind scheme (UTOPIA) is used for the spatial derivatives. and the second-order-accurate Runge-Kutta scheme is applied for the time marching. The results show that we successively capture very small acoustic pressure fluctuations with the same frequency of the Karman vortex street compared with the Pressure fluctuation around a circular cylinder The propagation velocity of the acoustic waves shows that the points of peak pressure are biased upstream due to the Doppler effect in the uniform flow For the downstream. on the other hand. it quickly Propagates. It is also apparent that the amplitude of sound Pressure is Proportional to $r^{-1/2}$, r being the distance from the center of the circular cylinder. To investigate the effect of the lattice dependence furthermore a 2D computation of the tone noise radiated by a NACA0012 with a blunt trailing edge at high incidence and low Reynolds number is also investigated.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.6
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pp.942-950
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1997
Far field acoustic pressure from the evolution and interaction of three-dimensional vortex filament is calculated numerically. A vortex ring is a typical example of the three-dimensional vortex filament. An elliptic vortex ring emits a strong sound signal due to significant distortion and stretching of the vortec filament. The far field acoustic pressure is linearly dependent on the third time derivatives of the vortex positions. A numerical scheme of high resolution is employed to describe in detail the elliptic vortex ring motions which ar highly nonlinear. Descretized vortex filaments are interpolated by using a parametric blending function to remove a possible numerical instability. The distorted vortex filament, owing to the self-induced and the induced velocity from the other vortex segments, is redistributed at each time step. The accuracy and efficiency of the scheme are validated by comparisons with the analytic solution of circular vortex ring interaction.
The streamlined box is a common type of girders for long-span suspension bridges. Spanning deep canyons, long-span bridges are frequently attacked by strong winds with large angles of attack. In this situation, the flow field around the streamlined box changes significantly, leading to reduction of the flutter performance. The wind fairings have different effects on the flutter performance. Therefore, this study examines the flutter performance of box girders with different wind fairings at large angles of attack. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were carried out to extract the flutter derivatives, and the critical flutter state of a long-span bridge was determined. Further comparisons of the wind fairings were investigated by a rapid method which is related to the input energy by the aerodynamic force. The results show that a reasonable type of wind fairings could improve the flutter performance of long-span bridges at large angles of attack. For the torsional flutter instability, the wind fairings weaken the adverse effect of the vortex attaching to the girder, and a sharper one could achieve a better result. According to the input energies on the girder with different wind fairings, the symmetrical wind fairings are more beneficial to the flutter performance
Kim, Jong-Bum;Jang, Young-Il;Kwon, Ky-Beom;Chung, Hyoung-Seog;Cho, Hwan-Kee;Kim, Sang-Ho;Lee, Jae-Woo
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.40
no.8
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pp.711-717
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2012
During the conceptual design phase of a light sport aircraft, the wind tunnel tests were conducted to investigate the static stability of newly-designed configuration. The 1/5 scale-down wind tunnel model consisted of fuselage, main wing, vertical tail and horizontal tail. The main wing and tails were able to be attached or detached from the fuselage. The aerodynamic forces and moments acting on the 6 different configurations compounding each component were measured by using the internal balance system and their static stability derivatives were derived. With these experimental data, the baseline lift and drag characteristics as well as the effects of each component to the longitudinal, directional and lateral static stability were quantitatively analyzed.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.9
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pp.688-693
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2016
This paper describes the parachute dynamics modeling and simulation results for the development of training simulator of a HALO (High Altitude Low Opening) parachute, which is currently in use for military purposes. The target parachute is a rectangular shaped parafoil and its dynamic model is derived based on the real geometry data as the 9-DOF nonlinear equations of dynamics. The simulation was conducted through the moment of inertia and its aerodynamic derivatives to reflect the real characteristics based on the MATLAB/Simulink. In particular, its modeling includes the typical characteristics of the added mass and moment of inertia, which is shown in the strong effects in Lighter-Than-Air(LTA) flight vehicle. The proposed dynamic modeling was evaluated through the simulation under the spiral turning flight conditions of the asymmetric control inputs and compared with the performance index in the target parachute manual.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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