This paper presents some fundamental results on the dynamics of the periodic Karman wake behind a circular cylinder. The wake is treated like a dynamical system. External forcing is then introduced and its effect investigated. The main result obtained is the following. Perturbation of the wake, by controlled cylinder oscillations in the flow direction at a frequency equal to the Karman vortex shedding frequency, leads to instability of the Karman vortex structure. The resulting wake structure oscillates at half the original Karman vortex shedding frequency. For higher frequency excitation the primary pattern involves symmetry breaking of the initially shed symmetric vortex pairs. The Karman shedding phenomenon can be modeled by a nonlinear oscillator. The symmetrical flow perturbations resulting from the periodic cylinder excitation can also be similarly represented by a nonlinear oscillator. The oscillators represent two flow modes. By considering these two nonlinear oscillators, one having inline shedding symmetry and the other having the Karman wake spatio-temporal symmetry, the possible symmetries of subsequent flow perturbations resulting from the modal interaction are determined. A theoretical analysis based on symmetry (group) theory is presented. The analysis confirms the occurrence of a period-doubling instability, which is responsible for the frequency halving phenomenon observed in the experiments. Finally it is remarked that the present findings have important implications for vortex shedding control. Perturbations in the inflow direction introduce 'control' of the Karman wake by inducing a bifurcation which forces the transfer of energy to a lower frequency which is far from the original Karman frequency.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제17권2호
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pp.139-148
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2016
The passive control methods such as horizontal and vertical fences on the lower surface of the bluff body were applied to suppress the vortex shedding and enhance the aerodynamic stability of flow. For investigating the effects of the passive control methods, wind tunnel experiments on the unsteady flow field around a bluff body near a moving ground were performed. The boundary layer and velocity profiles were measured by the Hot Wire Anemometer (HWA) system and the vortex shedding patterns and flow structures in a wake region were visualized via the Particle Image Velocimetry (PIV) system. Also, it is a measuring on moving ground condition that the experimental values of the critical gap distances, Strouhal numbers and aerodynamic force FFT analyses. Through the experiments, we found that the momentum supply due to moving ground caused the vortex shedding at the lower critical gap distance rather than that of fixed ground. The horizontal and vertical fences increase the critical gap distance and it can suppress the vortex shedding. Consequently, the stability characteristics of the bluff body near a moving ground could be effectively enhanced by the simple passive control such as the vertical fences.
The usage of conventional tuned mass damper (TMD) was proved as an effective method for passive mitigating vortex-induced vibration (VIV) of a bridge deck. Although a variety of linear TMD systems have been so far utilized for vibration control of suspension bridges, a sensitive TMD mechanism to wind spectrum frequency is lacking. Here, we introduce a bistable tuned mass damper (BTMD) mechanism which has an exceptional sensitivity to a broadband input of vortex shedding velocity for suppressing VIV in suspension bridge deck. By use of the Monte Carlo simulation, performance of the nonlinear BTMD is shown to be more efficient than the conventional linear TMD under two different wind load excitations of harmonic (sinusoidal) and broadband input of vortex shedding. Consequently, an appropriate algorithm is proposed to optimize the design parameters of the nonlinear BTMD for Kap Shui Mun Bridge, and then the BTMD system is localized for the interior deck of the suspension bridge.
Flow traveling over a cavity opening forms a vortex due to unstable shear layer and induces an aerodynamic pressure excitation from the diffusion of the vortex convecting out of the trailing edge of the opening. The interaction between the excitation force and the cavity response sustains resonance in the resonator(cavity) and locked-in vortex shedding at the leading edge of the opening. The aerodynamic excitation force can be described from the diffusion of the vortex over the trailing edge and the level of its diffusivity is related to the strength of vorticity seeded at the leading edge. In this study, the control scheme of the internal pressure oscillation was proposed from regulating the vorticity at the leading edge by use of an oscillating spoiler. It was found that the relative motion between the spoiler and the air mass at the cavity opening influenced vorticity strength and the control was achieved by direct feedback of the cavity pressure fluctuation to the actuator.
지면 근처에 존재하는 뭉뚝한 물체의 유동장 이해는 자동차 및 항공 업계에 매우 중요한 분야이다. 이를 위해 비압축성 평균 Navier-Stokes 방정식에 $\varepsilon{-SST}$ 난류 모델을 적용하여 정사각주와 이동 지면의 간극 유동을 해석하였다. 비정상 진동을 억제하기 위하여 사각주 하부에 수직/수평의 펜스 설치 효과를 연구하였다. 지면이 운동할 경우에는 지면의 박리 전단층의 강도가 약화되어 사각주 상/하부의 박리 전단층 상호 작용을 촉진시키므로 고정 지면에 비하여 더 낮은 간극에서도 와류 배출이 발생한다.
지면엔 근접한 사각주 후면에서 발생하는 비정상 와류 배출은 지상 운송체, 교량, 건물 등의 항력 증가뿐 아니라, 동안정성에도 큰 영향을 미친다. 비압축성 평균 Navier-Stokes 방정식에 수정된 ${\varepsilon}-SST$ 난류 모델을 적용하여 사각주 하부와 지면과의 간극 유동을 해석하였다. 사각주 후류에서 와류가 발생하는 경우에는 간극에서의 평균 최대 속도가 억제된 경우에 비하여 높으며, 또한 최대 속도의 위치 또한 사각주 하부에 근접한 것을 확인하였다. 본 연구에서는 사각주 하부에 수평, 수직의 펜스를 설치하는 수동 제어기법을 적용하여 사각 주 후류의 와류 배출용 억제할 수 있다.
The flow characteristics of a circular cylinder surrounded by an outer permeable cylinder were experimentally investigated using Particle Image Velocimetry Technique in deep water flow. In order to consider the effects of diameter and porosity of the outer cylinder on flow structures of the inner cylinder, five different outer cylinder diameters (D=37.5, 52.5, 60, 75 and 90 mm) and eight different porosities (${\beta}$=0.4, 0.5, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75, 0.8 and 0.85) were selected. During the experiments, the diameter of inner cylinder was kept constant as d=30 mm. The depth-averaged free-stream velocity was adjusted as U=0.156 m/s, which corresponds to the Reynolds number of Re=5000 based on the inner cylinder diameter. It has been concluded that both the outer permeable cylinder diameter and the porosity have important influences on the attenuation of vortex shedding in the wake region. The presence of outer permeable cylinder decreases the magnitude of Reynolds shear stress and turbulent kinetic energy compared to the bare cylinder case. Moreover, the spectral analysis of vortex shedding frequency has revealed that the dominant frequency of vortex shedding downstream of the cylinder arrangement also reduces substantially due to the weakened Karman shear layer instability.
Vortex-induced vibrations of a yawed flexible cylinder near a plane boundary are numerically investigated at a Reynolds number Ren= 500 based on normal component of freestream velocity. Free to oscillate in the in-line and cross-flow directions, the cylinder with an aspect ratio of 25 is pinned-pinned at both ends at a fixed wall-cylinder gap ratio G/D = 0.8, where D is the cylinder diameter. The cylinder yaw angle (α) is varied from 0° to 60° with an increment of 15°. The main focus is given on the influence of α on structural vibrations, flow patterns, hydrodynamic forces, and IP (Independence Principle) validity. The vortex shedding pattern, contingent on α, is parallel at α=0°, negatively-yawed at α ≤ 15° and positively-yawed at α ≥ 30°. In the negatively- and positively-yawed vortex shedding patterns, the inclination direction of the spanwise vortex rows is in the opposite and same directions of α, respectively. Both in-line and cross-flow vibration amplitudes are symmetric to the midspan, regardless of α. The RMS lift coefficient CL,rms exhibits asymmetry along the span when α ≠ 0°, maximum CL,rms occurring on the lower and upper halves of the cylinder for negatively- and positively-yawed vortex shedding patterns, respectively. The IP is well followed in predicting the vibration amplitudes and drag forces for α ≤ 45° while invalid in predicting lift forces for α ≥ 30°. The vortex-shedding frequency and the vibration frequency are well predicted for α = 0° - 60° examined.
직경 대 길이비(L/D)의 값이 큰 고체 추진기관에서는 축방향 연소불안정 현상이 발생할 가능성이 높다. 일반적으로 이러한 현상을 억제하기 위해 추진제에 금속입자를 포함시키거나 그레인 설계시 축방향 압력 진동을 억제할 수 있도록 형상을 고안한다. Slotted-Tube형 그레인을 적용한 고체 추진기관은 연소시 Slot의 영향으로 인해 축방향 1차 모드 압력진동이 억제되나 연소관 후방 내열재 삭마로 인해 공동이 형성되어 Vortex Shedding에 의한 2차 모드 압력진동이 증폭될 수 있다. 본 연구에서는 4 Slotted Tube형 고체 추진기관의 설계 개선을 통해 Vortex Shedding을 억제하여 연소불안정 현상을 개선하였다.
Lock-on characteristics of the flow around a circular cylinder performing a rotationally oscillation with a relatively high forcing frequency have been investigated experimentally using flow visualization and hot-wire measurements. Dominant parameters are Reynolds number (Re), amplitude of oscillation $(\theta_A)$, and frequency ratio $F_R=f_f\;/\;f_n$, where $f_f$ is the forcing frequency and if is the natural frequency of vortex shedding. Experiments were carried out under the conditions of $Re=4.14\times10^3,\;\pi/15\leq\theta_A\leq\pi/3$, and $F_R=1.0$. The effects of this active control technique on the lock-on flow regime of the cylinder wake were evaluated through wake velocity measurements and spectral analysis of hot-wire signals. The rotary oscillation modified the flow structure of near wake significantly. The lock-on phenomenon was found to occur in the range of frequency encompassing the natural vortex shedding frequency. In addition, when the amplitude of oscillation is less than a certain value, the lock-on phenomenon was occurred only at $F_R=1.0$. The lock-on range expanded and vortex formation length decreased as the amplitude of oscillation increases. The rotary oscillation generated small-scale vortex structure just near the cylinder surface.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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