• Wind and Structures
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• 제35권5호
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• pp.309-322
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• 2022

Due to the complex terrain around high-speed railways, the windbreaks were established along different landforms, resulting in irregular windbreak transition regions between different subgrade infrastructures (flat ground, cutting, embankment, etc). In this paper, the effect of a windbreak transition on the wind flow around railways subjected to crosswinds was studied. Wind tunnel testing was conducted to study the wind speed change around a windbreak transition on flat ground with a uniform wind speed inflow, and the collected data were used to validate a numerical simulation based on a detached eddy simulation method. The validated numerical method was then used to investigate the effect of the windbreak transition from the flat ground to cutting (the "cutting" is a railway subgrade type formed by digging down from the original ground) for three different wind incidence angles of 90°, 75°, and 105°. The deterioration mechanism of the flow fields and the reasons behind the occurrence of the peak wind velocities were explained in detail. The results showed that for the windbreak transition on flat ground, the impact was small. For the transition from the flat ground to the cutting, the influence was relatively large. The significant increase in the wind speeds was due to the right-angle structure of the windbreak transition, which resulted in sudden changes of the wind velocity as well as the direction. In addition, the height mismatch in the transition region worsened the protective effect of a typical windbreak.

• 한국수자원학회논문집
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• 제52권10호
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• pp.697-706
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• 2019

다상흐름 모델링 기법과 하이브리드 난류 모델링 기법을 결합한 수치모형을 이용하여 사각형 수로에서의 중력류를 수치모의 하였다. 이 연구에서 적용한 다상흐름 해석기법은 밀도가 큰 중력류 유체, 상대적으로 밀도가 작은 주변류 유체 그리고 자유수면 위에서 흐르는 공기를 3개의 상으로 처리하며, 각 상에 대해서 분리된 흐름 지배방정식을 적용한다. 난류흐름은 벽경계 근처에서는 RANS 모드로 모의하고 벽에서 떨어진 영역에서는 LES 모드로 해석하는 하이브리드 RANS/LES 방법의 일종인 IDDES 기법을 이용하여 해석한다. 이 연구에서 적용한 모델링 기법은 중력류의 머리의 전파속도를 실험값과 일치하게 잘 예측하는 것으로 나타났다. 수치해석 결과는 아울러 낮은 레이놀즈수 난류모형을 이용한 RANS 수치모의에서 이용되는 정도의 격자해상도에서도 큰 규모의 Kelvin-Helmholtz 형식의 경계면 와의 발달과 이들 와가 지속적으로 3차원 형식의 붕괴를 거쳐 작은 난류구조로 분해되면서 난류에너지가 소산되는 현상을 성공적으로 예측함을 보여준다. 적용한 수치모의 기법은 공학적으로 접근 가능한 격자해상도에서 돌출-쪼개짐 흐름 불안정을 동반한 중력류 머리부분의 3차원 거동 특성을 잘 재현하며, 이 결과는 보다 높은 격자해상도에서 구해진 LES 결과에 상응하는 것으로 나타났다. 이 연구결과는 하이브리드 난류모델링 기법과 다상흐름 해석기법을 병합한 수치모형이 자연상태에서 복잡한 중력류의 물리적 거동을 예측하는데 공학적으로 유망한 방법임을 보여준다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.105-105
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• 2019

보나 여수로와 같은 수공구조물의 주변에서 발생하는 흐름 거동은 구조물 모서리에서 발생하는 흐름분리(flow separation)와 이에 따른 전단층(shear layer)과 재순환(recirculation) 흐름 영역의 발달 그리고 분리된 흐름의 재부착(reattachment)이 특징이다. 공학적으로 난류의 해석에 있어서 이러한 흐름 거동들을 정확하게 예측하는 것은 수공구조물 설계에 있어서 중요하다. 이 연구에서는 흐름 분리와 재순환 영역의 발달 그리고 흐름 재부착을 포함하는 후방계단(backward-facing step) 흐름을 155,000의 레이놀즈수 조건에서 하이브리드 RANS/LES 모델을 적용하여 해석결과를 평가한다. 하이브리드 모델로는 벽에 인접한 격자의 해상도에 상대적으로 민감하지 않은 SST(shear-stress transport) 난류 모델을 이용하는 DES(detached-eddy simulation) 기법을 적용하였다. 계단 높이가 h인 계산영역은 흐름방향 길이가 34h, 높이는 계단 상류와 하류에서 각각 1h와 2h 그리고 폭은 $2{\pi}$이다. 계단은 상류단으로부터 10h 하류부 지점에 위치한다. 경계조건으로 상부와 하부 벽면에 대해서는 비활조건을 적용한다. 상류부 수로에서 완전 발달한 흐름을 재현하기 위해서 유입경계조건은 유입부 하류 $2{\pi}h$ 지점에서 계산된 유속과 난류량을 매핑(mapping)기법을 이용하여 반복적으로 적용한다. 총 3.1백만개와 7.3백만개의 셀로 계산영역을 구현한 두 개의 계산격자 그리고 약 3.1백만개의 셀을 이용했지만 벽면 근처에서의 격자 구성을 다른 방식으로 설정한 두 가지 격자를 이용하여 격자 해상도가 DES 수치해석 결과에 미치는 영향을 분석하였다. 수치해석결과는 본 연구에서 상류단 조건으로 적용한 매핑기법이 대상 수로에서 완전 발달한 흐름을 잘 재현함을 보여주며, 합리적인 DES 해석 결과를 얻기 위해서는 벽에 수직한 방향으로 적절한 격자의 해상도와 분포가 필요함을 보여준다.

• Wind and Structures
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• 제35권1호
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• pp.55-66
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• 2022

Tall buildings are often subjected to steady and unsteady forces due to external wind flows. Measurement and mitigation of these forces becomes critical to structural design in engineering applications. Over the last few decades, many approaches such as modification of the external geometry of structures have been investigated to mitigate wind-induced load. One such proven geometric modification involved the rounding of sharp corners. In this work, we systematically analyze the impact of rounded corner radii on the reducing the flow-induced loading on a square cylinder. We perform 3-Dimensional (3D) simulations for high Reynolds number flows (Re=1 × 105) which are more likely to be encountered in practical applications. An Improved Delayed Detached Eddy Simulation (IDDES) method capable of capturing flow accurately at large Reynolds numbers is employed in this study. The IDDES formulation uses a k-ω Shear Stress Transport (SST) model for near-wall modelling that prevents mesh-induced separation of the boundary layer. The effects of these corner modifications are analyzed in terms of the resulting variations in the mean and fluctuating components of the aerodynamic forces compared to a square cylinder with no geometric changes. Plots of the angular distribution of the mean and fluctuating coefficient of pressure along the square cylinder's surface illustrate the effects of corner modifications on the different parts of the cylinder. The windward corner's separation angle was observed to decrease with an increase in radius, resulting in a narrower and longer recirculation region. Furthermore, with an increase in radius, a reduction in the fluctuating lift, mean drag, and fluctuating drag coefficients has been observed.

• International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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• 제13권1호
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• pp.599-616
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• 2021

The semi-submersible with three circular columns is an original concept of efficient multifunctional platform, which can be used for marginal oil, gas field, and Floater of Wind Turbines (FOWT). However, under certain flow conditions, especially in uniform current with specific velocities, the eddies will alternatively form and drop behind columns, resulting in the fluctuating lift force and drag force. Consequently, the semi-submersible will subject to the Flow-Induced Motions (FIM). Based on the Detached Eddy Simulation (DES) method, the numerical studies were carried out to understand the FIM characteristics of the three-column semi-submersible at two different parameters, i.e., current incidences (0°, 30°, and 60°-incidences) and reduced velocities (4 ≤ U_r ≤ 14). The results indicate that the lock-in range of 6 ≤ U_r ≤ 10 for the transverse motions is presented, and the largest transverse non-dimensional nominal amplitude is observed at 60°-incidence, with a value of A_y/D = 0:481. The largest yaw amplitude A_yaw is around 3.0° at 0°-incidence in the range of 8 ≤ U_r ≤ 12. The motion magnitude is basically the same as that of a four-column semi-submersible. However, smaller responses are presented compared to those of the three-column systems revealing the mitigation effect of the pontoon on FIM.