Solar towers, which often has a large aspect ratio and low fundamental natural frequency, were extremely prone to large amplitude of wind-induced vibrations, especially Vortex-Induced Vibration (VIV). A tiny Tuned Mass Damper (TMD) with conveniently adjustable eddy current damping was specially designed and manufactured for elastic wind tunnel tests of a solar tower. A series of numerical simulations by using the COMSOL software were conducted to determine three key parameters, including the thickness of the back iron plate and the conductive plate (Tb and Tc), the distance between the magnet and the conductive plate (Td). Based on the results of numerical simulations, a tiny TMD was manufactured and its structural parameters were experimentally identified. The optimized values of the tiny TMD can be conveniently realized. The tiny TMD was installed at the top of the elastic test model of a 243-meter-high solar tower, and a series of wind tunnel tests were carried out to examine the effectiveness of the TMD in suppressing wind-induced responses of the test model. The results showed that the wind-induced responses could be obviously reduced by the TMD, especially in the cross-wind direction. The cross-wind RMS and peak responses at the critical wind velocity can be reduced by about 86% and 75%, respectively. However, the maximum reduction of the responses at the design wind velocity is about 45%, obviously less than that at the critical wind velocity.
In this paper, critical fluid velocity and frequency of laminated pipe conveying fluid are presented. Each layer of the pipe is reinforced by functionally graded carbon nanotubes (FG-CNTs). The internal fluid is assumed turbulent and the induced forces are calculated by momentum equations. The pipe is resting on viscoelastic foundation with spring, shear and damping constants. The motion equations are derived based on classical shell theory and energy method. Differential quadrature method (DQM) is used for solution and obtaining the critical fluid velocity. The effects of volume percent and distribution of CNT, boundary condition, lamina layer number, length to radius ration of pipe, viscoelastic medium and fluid velocity are shown on the critical fluid velocity. Results show that with increasing the lamina layer number, the critical fluid velocity increases.
Yan, Lei;Guo, Zhen S.;Zhu, Le D.;Flay, Richard G.J.
Wind and Structures
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v.23
no.3
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pp.191-209
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2016
Wind tunnel tests of a 1/2200-scale mountainous terrain model have been carried out to investigate local wind characteristics at a bridge location in southeast Tibet, China. Flows at five key locations on the bridge at deck level were measured for 26 directions. It was observed that wind characteristics (including mean wind velocity and overall turbulence intensity) vary significantly depending on the approaching wind direction and measurement position. The wind inclination angle measured in the study fluctuated between $-18^{\circ}$ and $+16^{\circ}$ and the ratio of mean wind velocity to reference wind velocity was small when the wind inclination angles were large, especially for positive wind inclination angles. The design standard wind speed and the minimum critical wind speed for flutter rely on the wind inclination angle and should be determined from the results of such tests. The variation of wind speed with wind inclination angles should be of the asymmetry step type. The turbulence characteristics of the wind were found to be similar to real atmospheric flows.
To model the aeroelasticity in vortex-induced vibrations (VIV) of slender tubular towers, this paper presents an approach where the aerodynamic damping distribution along the height of the structure is calculated not only as a function of the normalized lateral oscillation but also considering the local incoming wind velocity ratio to the critical velocity (velocity ratio). The three-dimensionality of aerodynamic damping depending on the tower's displacement and the velocity ratio has been observed in recent studies. A contour map model of aerodynamic damping is generated based on the forced vibration tests. A sectional calculation procedure based on the spectral method is developed by defining the aerodynamic damping locally at each increment of height. The proposed contour map model of aerodynamic damping and the sectional calculation procedure are validated with full-scale measurement data sets of a rotorless wind turbine tower, where good agreement between the prediction and measured values is obtained. The prediction of cross-wind response of the wind turbine tower is performed over a range of wind speeds which allows the estimation of resulting fatigue damage. The proposed model gives more realistic prediction in comparison to the approach included in current standards.
The aerodynamic stability of orthotropic tensioned membrane structures with rectangular plane is theoretically studied under the uniform ideal potential flow. The aerodynamic force acting on the membrane surface is determined by the potential flow theory in fluid mechanics and the thin airfoil theory in aerodynamics. Then, based on the large amplitude theory and the D'Alembert's principle, the interaction governing equation of wind-structure is established. Under the circumstances of single mode response, the Bubnov-Galerkin approximate method is applied to transform the complicated interaction equation into a system of second order nonlinear differential equation with constant coefficients. Through judging the stability of the system characteristic equation, the critical divergence instability wind velocity is determined. Finally, from different parametric analysis, we can conclude that it has positive significance to consider the characteristics of orthotropic and large amplitude for preventing the instability destruction of structures.
Lamps installed on stay cables of cable-stayed bridges may alter the configuration of circular cross section of the cables and therefore result in aerodynamically unstable cable vibrations. The background of this study is a preliminary design of lamp installation on the cable-stayed He-dong Bridge in Guangzhou, China. Force measurements and dynamic response measurements wind tunnel tests were carried out to validate the possibility of cable galloping vibrations. It is observed that galloping will occur and the critical wind velocity is far less than the design wind velocity at Guangzhou City stipulated in Chinese Code. Numerical simulations utilizing software ANSYS CFX were subsequently performed and almost the same results as the wind tunnel tests were obtained. Moreover, the pressure and velocity contours around cable-lamp model obtained from numerical simulations indicated that the upstream steel wire in the preliminary design is the key factor for the onset of the galloping vibrations. A modification for the preliminary design of lamp installation, which suggests to remove the two parallel steel wires, is proposed, and it effectiveness is validated in further wind tunnel tests.
The effect of mean angle of wind attack on the flutter critical wind speed of two generic bridge deck cross-sections, viz, one closed box type streamlined section (deck-1) and closed box trapezoidal bluff type section with extended flanges/overhangs (deck-2) type of section have been studied using Computational Fluid Dynamics (CFD) based forced vibration simulation method. Owing to the importance of the effect of the amplitude of forcing oscillation on the flutter onset, its effect on the flutter derivatives and flutter onset have been studied, especially at non-zero mean angles of wind attack. The flutter derivatives obtained have been used to evaluate flutter critical wind speeds and flutter index of the deck sections at non-zero mean angles of wind attack studied and the same have been validated with those based on experimental results reported in literature. The value of amplitude of forcing oscillation in torsional degree of freedom for CFD based simulations is suggested to be in the range of 0.5° to 2°, especially for bluff bridge deck sections. Early onset of flutter from numerical simulations, thereby conservative estimate of occurrence of instability has been observed from numerical simulations in case of bluff bridge deck section. The study aids in gaining confidence and the extent of applicability of CFD during early stages of bridge design, especially towards carrying out studies on mean incident wind effects.
An efficient and accurate algorithm is proposed to estimate flutter safety factor of suspension bridges satisfying prescribed reliability levels. Uncertainties which arise from the basic wind speed at the bridge deck location, critical flutter velocity, the wind conversion factor from a scaled model to the prototype structure and the gust speed factor are incorporated. The proposed algorithm integrates the concepts of the inverse reliability method and the calculation method of the critical flutter velocity of suspension bridges. The unique feature of the proposed method is that it offers a tool for flutter safety assessment of suspension bridges, when the reliability level is specified as a target to be satisfied by the designer. Accuracy and efficiency of this method with reference to three example suspension bridges is studied and numerical results validate its superiority over conventional deterministic method. Finally, the effects of various parameters on the flutter safety factor of suspension bridges are also investigated.
The suppression of aerodynamic response of long-span suspension bridges during erection and after completion by using single TMD and multi TMD is presented in this paper. An advanced finite-element-based aerodynamic model that can be used to analyze both flutter instability and buffeting response in the time domain is also proposed. The frequency-dependent flutter derivatives are transferred into a time-dependent rational function, through which the coupling effects of three-dimensional aerodynamic motions under gusty winds can be accurately considered. The modal damping of a structure-TMD system is analyzed by the state-space approach. The numerical examples are performed on the Akashi Kaikyo Bridge with a main span of 1990 m. The bridge is idealized by a three-dimensional finite-element model consisting of 681 nodes. The results show that when the wind velocity is low, about 20 m/s, the multi TMD type 1 (the vertical and horizontal TMD with 1% mass ratio in each direction together with the torsional TMD with ratio of 1% mass moment of inertia) can significantly reduce the buffeting response in vertical, horizontal and torsional directions by 8.6-13%. When the wind velocity increases to 40 m/s, the control efficiency of a multi TMD in reducing the torsional buffeting response increases greatly to 28%. However, its control efficiency in the vertical and horizontal directions reduces. The results also indicate that the critical wind velocity for flutter instability during erection is significantly lower than that of the completed bridge. By pylon-to-midspan configuration, the minimum critical wind velocity of 57.70 m/s occurs at stage of 85% deck completion.
We have performed the high resolution computer simulation with 1D spherical hydrodynamic code in order to study the dynamical evolution of supernova ejecta interacting with a pre-existing fast wind structure. The fast wind structure has been calculated with $M_{in}=3{\times}10^{-6}M_{\odot}yr^{-1}$ and ${\upsilon}_{in}=1000km/sec$, which velocity is higher than the critical velocity relating to the initial radiative cooling. The fast wind becomes initially adiabatic. After a shell formation time of ${\sim}4000yrs$, the wind becomes radiative cooling at the shell zone, forming a thin dense radiative shell and an adiabatic wind bubble afterward. When supernova explodes in the wind center at 20,000yrs after the wind evolves, the supernova ejecta, which has a dense distribution of ${\rho}{\propto}r^{-n}$(here we have n = 9), interacts initially with, the understood wind zone, producing forward and reverse shocks. The reverse shock heats the supernova ejecta and its temperature increases. In this study, as the mass of the supernova ejecta is larger than that of the wind shell ($M_{ej}=5M_{\odot}$, $M_{sw}=2M_{\odot}$), we can conform two shell structures: an outer shell by the supernova ejecta and a secondarily shocked wind shell by it. The secondarily shocked wind shell should accelerates in this case to be R-T unstable, consequently producing the knots.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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