To investigate the turbulence characteristics within the boundary layer over a flat plate, an experimental study was performed using a PIV technique in a circular water channel. For two water velocities, 0.92 and 1.99 m/s, the water velocity profiles were taken and analyzed to determine turbulent characteristics such as the Reynolds stress, Taylor micro-length scale, and Kolmogorov length scale within the defect law region of the boundary layer. These analysis methods may be applied to research on the friction drag reduction technology using micro-bubbles or an air sheet over the surface of a ship's hull, because the physical reason for the friction drag reduction could be found by understanding the variation of the turbulence characteristics and structures in the boundary layer.
When predicting unsteady flow and pressure fields around a structure in a turbulent boundary layer by Large Eddy Simulation (LES), velocity fluctuations of turbulence (inflow turbulence), which reproduce statistical characteristics of the turbulent boundary layer, must be given at the inflow boundary. However, research has just started on development of a method for generating inflow turbulence that satisfies the prescribed turbulence statistics, and many issues still remain to be resolved. In our previous study, we proposed a method for generating inflow turbulence and confirmed its applicability by LES of an isotropic turbulence. In this study, the generation method was applied to a turbulent boundary layer developed over a flat plate, and the reproducibility of turbulence statistics predicted by LES computation was examined. Statistical characteristics of a turbulent boundary layer developed over a flat plate were investigated by a wind tunnel test for modeling the cross-spectral density matrix for use as targets of inflow turbulence generation for LES computation. Furthermore, we investigated how the degree of correspondence of the cross-spectral density matrix of the generated inflow turbulence with the target cross-spectral density matrix estimated by the wind tunnel test influenced the LES results for the turbulent boundary layer. The results of this study confirmed that the reproduction of cross-spectra of the normal components of the inflow turbulence generation is very important in reproducing power spectra, spatial correlation and turbulence statistics of wind velocity in LES.
Mano Sekar;Amjad Ali Pasha;Nadaraja Pillai Subramania
Wind and Structures
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제37권1호
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pp.15-23
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2023
The wake behavior of extended flat plate and serration in the trailing edge of S809 airfoil is presented in this experimental study using wind tunnel testing. The clustering of wind turbines in wind parks has recently been a pressing issue, due to the expected increase in power output and deciding the number of wind turbines to be installed. One of the prominent factors which influence the performance of the subsequent wind turbines is the downstream wake characteristics. A series of wind tunnel investigations were performed to assess the downstream near wake characteristics of the S809 airfoil at various angles of attack corresponding to the Reynolds Number Re = 2.02 × 105. These experimental results revealed the complex nature of the downstream near wake characteristics featuring substantial asymmetry arising out of the incoherent flow separations prevailing over the suction and the pressure sides of the airfoil. Based on the experimental results, it is found that the wake width and the downstream velocity ratio decrease with an increase in the angle of attack. Nonetheless, the dissipation length and downstream velocity ratio increases proportionally in the downstream direction. Additionally, attempts were made to understand the physical nature of the near wake characteristics at 1C, 2C, 3C and 4C downstream locations.
The purpose of this study was to analyze the vibro-acoustic characteristics of a stiffened rectangular plate at high frequencies. The stiffeners attached along the plate surface were assumed to have rotational and translational stiffness and inertia. The harmonic response of the stiffened plate were predicted and compared using the Rayleigh-Ritz method with two different trial functions - polynomial and beam functions. The variation of the spatially averaged mean square velocity and the modal characteristics with the number of stiffeners were obtained. The use of the beam function ensured fast convergence which was essential for analyzing the high frequency vibration responses. Using the calculated modal characteristics and the Rayleigh-integral, the radiated sound power was predicted, and the effects of stiffeners were investigated. The proposed model can be applied to study optimal layout of stiffeners for minimal noise generation of the stiffened structures.
구조물의 진동인텐시티를 파악하면 진동에너지 전달경로와 소산기구 및 주된 기진원의 위치 등을 규명할 수 있어 구조물 진동의 효율적 저감 대책을 수립할 수 있다. 본 연구에서는 선박, 해양구조물 등과 같은 대형 복잡한 구조물의 진동인텐시티를 유한요소법으로 해석할 경우 적정한 모델링 기법을 마련하고자 선체의 기본 부재인 평판과 보강판에 대해 유한요소 모델링을 달리 하면서 진동인텐시티 해석을 수행하고, 그 결과를 고전적 근사해법인 assumed mode method에 의한 결과와 비교 검토하였다. 이로부터 유한요소법을 이용하여 판 구조물의 진동인텐시티 크기 및 방향을 정확하게 산정하기 위해서는 고유진동 또는 강제진동 해석의 경우보다 세밀한 유한요소 모델링이 요구되지만 진동에너지 전달경로 규명 등을 위한 정성적 해석은 강제진동해석을 정확하게 할 수 있는 정도의 유한요소 모델로도 가능함을 확인하였다. 아울러, 두께가 다른 평판 구조물, L-자형 판 구조물 및 3차원 box-girder에 대한 진동인텐시티 해석을 수행하여 다양한 선체 국부 구조물에 있어서의 진동에너지 전달 현상을 고찰하였다.
Ship structures is thin-walled structures and she has lots of curved platings. In these days, lots different kinds of closed-formulas are development for ultimate strength of flat plate but for curved panels, there are not enough study or papers for this field. In this study, the ultimate strength characteristics for ship curved plates are studied. The ship plating is generally subjected to combined in-plane and lateral pressure loads. In-plane loads included biaxial compression/tension and edge shear. This is first report about the developing of ultimate compressive strength for ship curved plating. A closed-form formula for predicting the ultimate compressive strength of curved plates are empirically derived by curve fitting based on the computed results. The results and insights developed in the present study will be useful for damage tolerant design of curved plated structures.
In this study the seismic performances of reinforced concrete apartment buildings with Y- and box-shaped plans having central core are investigated. Three types of model structures are designed for each shape depending on the amount of shear partition walls: structures with all shear walls, structures with all columns except the core walls, and structures with shear walls and columns combined. The required amount of concrete to satisfy the specified design loads is the largest in the all shear wall structures, and decreases as more and more shear walls are replaced with columns. The amount of re-bars increased significantly in the flat plate structures. According to nonlinear static and dynamic analysis results, the structures with all shear walls and all columns turn out to have the largest and the smallest strengths, respectively. However it is observed that even the all-column structures with shear core have proper load resisting capacity for design level seismic load.
The flow characteristics in a confined slot jet impinging on a flat plate were investigated by using cinematic Particle Image Velocimetry technique. The three different kinds of confined slot were applied to the jet with a view to evaluating the shape effect and the jet Reynolds number was varied from 250 to 1000 for a fixed jet-to-plate spacing of H/W=5. It was found that the vortex structures in the shear layer are developed with increase of Reynolds number and that the jet becomes unsteady by the interaction of vortex pairs between 500 and 750 of Reynolds number. Finally, the slot shape was proved to be related with the generation timing of vortex pair and the temporal vortex structure.
Yang, Yong;Yu, Yunlong;Zhou, Xianwei;Roeder, Charles W.;Huo, Xudong
Steel and Composite Structures
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제21권3호
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pp.537-551
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2016
A new type of composite beam which consists of a wide flange steel shape beam and an innovative type of composite slab was introduced. The composite slab is composed of concrete slab and normal flat steel plates, which are connected by perfobond shear connectors (PBL shear connectors). This paper describes experiments of two large-scale specimens of that composite beam. Both specimens were loaded at two symmetric points for 4-point loading status, and mechanical behaviors under hogging and sagging bending moments were investigated respectively. During the experiments, the crack patterns, failure modes, failure mechanism and ultimate bending capacity of composite beam specimens were investigated, and the strains of concrete and flat steel plate as well as steel shapes were measured and recorded. As shown from the experimental results, composite actions were fully developed between the steel shape and the composite slab, this new type of composite beams was found to have good mechanical performance both under hogging and sagging bending moment with high bending capacity, substantial flexure rigidity and good ductility. It was further shown that the plane-section assumption was verified. Moreover, a design procedure including calculation methods of bending capacity of this new type of composite beam was studied and proposed based on the experimental results, and the calculation methods based on the plane-section assumption and plastic theories were also verified by comparisons of the calculated results and experimental results, which were agreed with each other.
The near-wall flow structures of turbulent boundary layer over riblets having semi-circular grooves were investigated experimentally for the drag decreasing ($s^+=25.2$) and drag increasing ($s^+=40.6$) cases. The field of view used for tho velocity field measurement was $6.75{\times}6.75mm^2$ in physical dimension, containing two grooves. One thousand instantaneous velocity fields over the riblets were extracted for each case of drag increase and decrease. For comparison, five hundreds instantaneous velocity fields over a smooth flat plate were also obtained under the same flow conditions. To see the global flow structure qualitatively, the flow visualization was also performed using the synchronized smoke-wire technique. For the drag decreasing case ($s^+=25.2$), most of the streamwise vortices stay above the riblets, interacting with the riblet tips. The high-speed in-rush flow toward the riblet surface rarely influences the flow inside tho riblet valleys submerged in the viscous sublayer. The riblet tips seem to impede the spanwise movement of the longitudinal vortices and induce secondary vortices. The turbulent kinetic energy in the riblet valley is sufficiently small to compensate the increased wetted area of the riblets. In addition, in the logarithmic region, the turbulent kinetic energy are small or almost equal to that of a smooth flat plato. For the drag increasing case ($s^+=40.6$), however, the streamwise vortices move into the riblet valley freely, interacting directly with the riblet inner surface. The penetration of the high-speed in-rush flow on the riblets increases tho skin-friction. The turbulent kinetic energy is increased in the riblet valleys and even in the outer region compared to that over a flat plate.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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