Wind tunnel experiments are used to investigate the aerodynamic interactions between vehicles and wind barriers on a railway bridge. Wind barriers with four different heights (1.72 m, 2.05 m, 2.5 m and 2.95 m, full-scale) and three different porosities (0%, 30% and 40%) are studied to yield the aerodynamic coefficients of the vehicle and the wind barriers. The effects of the wind barriers on the aerodynamic coefficients of the vehicle are analyzed as well as the effects of the vehicle on the aerodynamic coefficients of the wind barriers. Finally, the relationship between the drag forces on the wind barriers and the aerodynamic coefficients of the vehicle are discussed. The results show that the wind barriers can significantly reduce the drag coefficients of the vehicle, but that porous wind barriers increase the lift forces on the vehicle. The windward vehicle will significantly reduce the drag coefficients of the porous wind barriers, but the windward and leeward vehicle will increase the drag coefficients of the solid wind barrier. The overturning moment coefficient is a linear function of the drag forces on the wind barriers if the full-scale height of the wind barriers $h{\leq}2.5m$ and the overturning moment coefficients $C_O{\geq}0$.
Aerodynamic force coefficients are generally prescribed by an ensemble average of ten and/or twenty 10-minute samples. However, this makes it difficult to identify the exact probability distribution and exceedance probability of the prescribed values. In this study, 12,600 10-minute samples on three tall buildings were measured, and the probability distributions were first identified and the aerodynamic force coefficients corresponding to the specific non-exceedance probabilities (cumulative probabilities) of wind load were then evaluated. It was found that the probability distributions of the mean and fluctuating aerodynamic force coefficients followed a normal distribution. The ratios of aerodynamic force coefficients corresponding to the specific non-exceedance probabilities (Cf,Non) to the ensemble average of 12,600 samples (Cf,Ens), which was defined as an adjusting factor (Cf,Non/Cf,Ens), were less than 2%. The effect of coefficient of variation of wind speed on the adjusting factor is larger than that of the annual non-exceedance probability of wind load. The non-exceedance probabilities of the aerodynamic force coefficient is between PC,nonex = 50% and 60% regardless of force components and aspect ratios. The adjusting factors from the Gumbel distribution were larger than those from the normal distribution.
A spike attached to a blunt nosed body significantly alters its flow field and influences the aerodynamic coefficients at hypersonic speed. The basic body is an axisymmetric, with a hemisphere nose followed by a cylindrical portion. Five different types of spikes, namely, conical aerospike, hemisphere aerospike, flat-face aerospike, hemisphere aerodisk and flat-face aerodisk are attached to the basic body in order to assess the aerodynamic characteristic. The spiked blunt body without the aerospike or aerodisk has been set to be a basic model. The coefficients of drag, lift and pitching moment were measured with and without blunt spike body for the length-to-diameter ratio (L/D) of 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0, at Mach 6 and angle of attack up to 8 degrees using a strain gauge balance. The measured forces and moment data are employed to determine the relative performance of the aerodynamic with respect to the basic model. A maximum of 77 percent drag reduction was achieved with hemisphere aerospike of L/D = 2.0. The comparison of aerodynamic coefficients between the basic model and the spiked blunt body reveals that the aerodynamic drag and pitching moment coefficients decrease with increasing the L/D ratio and angle of attack but the lift coefficient has increasing characteristics.
An accurate identification of the aerodynamic characteristics of vehicles and the bridge is the premise for the coupled vibration analysis of a wind-vehicle-bridge system. At present, the interaction of aerodynamic forces between the road vehicles and bridge is ignored in most previous studies. In the present study, an experimental setup was developed to measure the aerodynamic characteristics of vehicles and the bridge for different cases in a wind tunnel considering the aerodynamic interference. The influence of the wind turbulence, the wind speed, the vehicle interference, and the vehicle position on the aerodynamic coefficients of vehicles, and the influence of vehicles on the static coefficients of the bridge were investigated, based on the experimental results. The variations in the aerodynamic characteristics of vehicles and the bridge were studied and the measured results were validated according to the results of surface pressure measurements on the vehicle and the bridge. The measured results were further validated by comparing the measured results with values derived numerically. The measured results showed that the wind turbulence, the vehicle interference, and the vehicle position significantly affected the aerodynamic coefficients of vehicles. However, the influence of the wind speed on the aerodynamic coefficients of the studied vehicle is small. The static coefficients of the bridge were also significantly influenced by the presence of vehicles.
A study on aerodynamic modeling was performed to predict the hinge moments required for initial design of missile. Fin aerodynamic coefficients were modeled using the equivalent angle of attack method based on the wind tunnel test. In addition, CFD analysis was performed to calculate the dynamic pressure around the body and improve the accuracy of aerodynamic coefficients. The aerodynamic coefficient accuracy was verified by comparisons of the coefficient acquired from wind tunnel test and prediction of flow conditions, not involved in the model built-up. It was confirmed that fin aerodynamic coefficients can be predicted effectively by using the proposed method.
The paper evaluates the aerodynamic coefficients on a blunt-nose re-entry capsule with a conical cross-section followed by a cone-flare body. A computer code is developed to solve three-dimensional compressible inviscid equationsfor flow over a Space Recovery Experiment (SRE) configuration at different flare-cone half-angle at Mach 6 and angle of attack up to 5°, at 1° interval. The surface pressure variation is numerically integrated to obtain the aerodynamic forces and pitching moment. The numerical analysis reveals the influence of flare-cone geometry on the flow characteristics and aerodynamic coefficients. The numerical results agree with wind tunnel results. Increase of cone-flare angle from 25° to 35° results in increase of normal force slope, axial forebody drag, base drag and location of centre of pressure by 62.5%, 56.2% and 33.13%, respectively, from the basic configuration ofthe SRE of 25°.
Aerodynamic force coefficients are generally obtained from traditional wind tunnel tests or computational fluid dynamics (CFD). Unfortunately, the techniques mentioned above can sometimes be cumbersome because of the cost involved, such as the computational cost and the use of heavy equipment, to name only two examples. This study proposed to build a deep neural network model to predict the aerodynamic force coefficients based on data collected from CFD simulations to overcome these drawbacks. Therefore, a series of CFD simulations were conducted using different geometric parameters to obtain the aerodynamic force coefficients, validated with wind tunnel tests. The results obtained from CFD simulations were used to create a dataset to train a multilayer perceptron artificial neural network (ANN) model. The models were obtained using three optimization algorithms: scaled conjugate gradient (SCG), Bayesian regularization (BR), and Levenberg-Marquardt algorithms (LM). Furthermore, the performance of each neural network was verified using two performance metrics, including the mean square error and the R-squared coefficient of determination. Finally, the ANN model proved to be highly accurate in predicting the force coefficients of similar bridge sections, thus circumventing the computational burden associated with CFD simulation and the cost of traditional wind tunnel tests.
Simultaneous pressure and force measurements have been conducted on a stationary box deck section model for two configurations (namely without and with New Jersey traffic barriers) at various angles of incidence. The mean and fluctuating aerodynamic coefficients and pressure coefficients were derived, together with their spectra and with the coherence functions between the pressures and the total aerodynamic forces. The mean aerodynamic coefficients derived from force measurements are first compared with those derived from the integration of the pressures on the deck surface. Correlation between forces and local pressures are determined in order to gain insight on the wind excitation mechanism. The influence of the angle of incidence on the pressure distribution and on the fluctuating forces is also analysed. It is evidenced how particular deck section areas are more responsible for the aerodynamic excitation of the deck.
Aerodynamic characteristics of crescent and D-shape bundled conductors were measured by high frequency force balance technique in the wind tunnel. The drag and lift coefficients of each sub-conductor and the whole bundled conductors were presented under various attack angles of wind. The galloping possibility of bundled conductors is discussed based on the Den Hartog criterion. The influence of icing thickness, initial ice accretion angle and sub-conductor on the aerodynamic properties were investigated. Based on the measured aerodynamic force coefficients, a computationally efficient finite element method is also implemented to analyze galloping of iced bundled conductors. The analysis results show that each sub-conductor of the bundled conductor has its own galloping feature due to the use of aerodynamic forces measured separately for every single sub-conductors.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제10권2호
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pp.23-33
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2009
The inherent aeromechanical complexity of a rotor system necessitated the comprehensive analysis code for helicopter rotor system. In the present study, an aerodynamic analysis module has been developed as a part of rotorcraft comprehensive program. Aerodynamic analysis module is largely classified into airload calculation routine and inflow analysis routine. For airload calculation, quasi-steady analysis model is employed based on the blade element method with the correction of unsteady aerodynamic effects. In order to take unsteady effects - body motion effects and dynamic stall - into account, aerodynamic coefficients are corrected by considering Leishman-Beddoes's unsteady model. Various inflow models and vortex wake models are implemented in the aerodynamic module to consider wake induced inflow. Specifically, linear inflow, dynamic inflow, prescribed wake and free wake model are integrated into the present module. The aerodynamic characteristics of each method are compared and validated against available experimental data such as Elliot's induced inflow distribution and sectional normal force coefficients of AH-1G. In order to validate unsteady aerodynamic model, 2-D unsteady model for NACA0012 airfoil is validated against aerodynamic coefficients of McAlister's experimental data.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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