The streamlined box is a common type of girders for long-span suspension bridges. Spanning deep canyons, long-span bridges are frequently attacked by strong winds with large angles of attack. In this situation, the flow field around the streamlined box changes significantly, leading to reduction of the flutter performance. The wind fairings have different effects on the flutter performance. Therefore, this study examines the flutter performance of box girders with different wind fairings at large angles of attack. Computational fluid dynamics (CFD) simulations were carried out to extract the flutter derivatives, and the critical flutter state of a long-span bridge was determined. Further comparisons of the wind fairings were investigated by a rapid method which is related to the input energy by the aerodynamic force. The results show that a reasonable type of wind fairings could improve the flutter performance of long-span bridges at large angles of attack. For the torsional flutter instability, the wind fairings weaken the adverse effect of the vortex attaching to the girder, and a sharper one could achieve a better result. According to the input energies on the girder with different wind fairings, the symmetrical wind fairings are more beneficial to the flutter performance
The flutter instability is one of the most important themes need to be carefully investigated in the design of long-span bridges. This study takes the central-slotted ideal thin flat plate as an object, and examines the characteristics of unsteady surface pressures of stationary and vibrating cross sections based on computational fluid dynamics (CFD) simulations. The flutter derivatives are extracted from the surface pressure distribution and the critical flutter wind speed of a long span suspension bridge is then calculated. The influences of angle of attack and the slot ratio on the flutter performance of central-slotted plate are investigated. The results show that the critical flutter wind speed reduces with increase in angle of attack. At lower angles of attack where the plate shows the characteristics of a streamlined cross-section, the existence of central slot can improve the critical flutter wind speed. On the other hand, at larger angles of attack, where the plate becomes a bluff body, the existence of central slot further reduces the flutter performance.
The galloping of iced conductors has long been a severe threat to the safety of overhead transmission lines. Compared with normal transmission lines, the ultra-high-voltage (UHV) transmission lines are more prone to galloping, and the damage caused is more severe. To control the galloping of UHV lines, it is necessary to conduct a comprehensive analysis of galloping characteristics. In this paper, a large-span 1000-kV UHV transmission line in China is taken as a practical example where an 8-bundled conductor with D-shaped icing is adopted. Galerkin method is employed for the time history calculation. For the wind attack angle range of 0°~180°, the galloping amplitudes in vertical, horizontal, and torsional directions are calculated. Furthermore, the vibration frequencies and galloping shapes are analyzed for the most severe conditions. The results show that the wind at 0°~10° attack angles can induce large torsional displacement, and this range of attack angles is also most likely to occur in reality. The galloping with largest amplitudes in all three directions occurs at the attack angle of 170° where the incoming flow is at the non-iced side, due to the strong aerodynamic instability. In addition, with wind speed increasing, galloping modes with higher frequencies appear and make the galloping shape more complex, indicating strong nonlinear behavior. Based on the galloping amplitudes of three directions, the full range of wind attack angles are divided into five galloping regions of different severity levels. The results obtained can promote the understanding of galloping and provide a reference for the anti-galloping design of UHV transmission lines.
Maneuverability is a crucial factor for the safety and success of submarine missions. This paper introduces a mathematical model that considers the large drift and angle of attack motions of submarines. Various computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed to adapt Karasuno's fishery vessel maneuvering mathematical model to submarines. The study also presents the procedure for obtaining the physics-based hydrodynamic coefficients proposed by Karasuno through CFD calculations. Based on these coefficients, the reconstructed forces and moments were compared with those obtained from CFD and to the hydrodynamic derivatives expressed by a Taylor expansion. The study also discusses the mathematical maneuvering model that accounts for the large drift angles and angles of attack of submarines. The comparison results showed that the proposed maneuvering mathematical model based on modified Karasno's model could cover a large range of motions, including horizontal motion and vertical motions. In particular, the results show that the physics-based mathematical maneuvering model can represent the forces and moments acting on the submarine hull during large drift and angle of attack motions. The proposed mathematical model based on the Karasuno model could obtain more accurate results than the Taylor third-order approximation-based mathematical model in estimating the hydrodynamic forces acting on submarines during large drift and angle of attack motions.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.1-11
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2021
Performance of a NACA 634-021 hydrofoil in motion under and in close proximity of a free surface for a large range of angles of attack is studied. Lift and drag coefficients of the hydrofoil at different submergence depths are investigated both numerically and experimentally, for 0° ≤ AoA ≤ 30° at a Reynolds number of 105. The results of the numerical study are in good agreement with the experimental results. The agreement confirms the new finding that for a submerged hydrofoil operating at high angles of attack close to a free surface, the interaction between the hydrofoil-motion induced waves on the free surface and the hydrofoil results in mitigation of the flow separation characteristics on the suction side of the foil and delay in stall, and improvement in hydrofoil performance. In comparing with a baseline case, results suggest a 55% increase in maximum lift coefficient and 90% average improvement in performance for, based on the lift-to-drag ratio, but it is also observed significant decrease of lift-to-drag ratio at lower angles of attack. Flow details obtained from combined finite volume and volume of fluid numerical methods provide insight into the underlying enhancement mechanism, involving interaction between the hydrofoil and the free surface.
A submerged body with varied control inputs can execute large drift angles and large angles of attack, as well as basic control such as straight movement and turning. The objective of this study is to analyze the dynamic characteristics of a submerged body comprising six thrusters and six control planes, which is capable of a large drift angle and angle of attack motion. Virtual captive model tests via were analyzed via computational fluid dynamics (CFD) to determine the dynamic characteristics of the submerged body. A test matrix of virtual captive model tests specialized for large-angle motion was established. Based on this test matrix, virtual captive model tests were performed with a drift angle and angle of attack of approximately 30° and 90°, respectively. The characteristics of the hydrodynamic force acting on the horizontal and vertical surfaces of the submerged body were analyzed under the large-angle motion condition, and a model representing this hydrodynamic force was established. In addition, maneuvering simulation was performed to evaluate the standard maneuverability and dynamic characteristics of large-angle motion. Considering the shape characteristics of the submerged body, we attempt to verify the feasibility of the analysis results by analyzing the characteristics of the hydrodynamic force when the large-angle motion occurred.
The authors adopt the Unmanned Undersea Vehicle(UUV), the shape of which is like a manta. They call here it Manta UUV. Manta UUV has been designed from the similar concept of the UUV called Manta Test Vehicle(MTV), which was originally built by the Naval Undersea Warfare Center of USA(Lisiewicz and French, 2000; Simalis et al., 2001; U.S. Navy, 2004). The present study deals with the effect of Reynolds numbers on hydrodynamic forces acting on Manta UUV at large angles of attack. The large angles of attack cover the whole range of 0 to ${\pm}$ 180 degrees in horizontal plane and in vertical plane respectively. Static test at large attack angles has been carried out with two Manta UUV models in circulating water channel. The authors assume that the experimental results of hydrodynamic forces (lateral force, yaw moment, vertical force and pitch moment) are analyzed into two components, which are lift force component and cross-flow drag component. First of all, Based on two dimensional cross-flow drag coefficient at 90 degrees of attack angle, the cross-flow drag component at whole range of attack angles is calculated. Then the remainder is assumed to be the lift force component. The only cross-flow drag component is assumed to be subject to Reynolds number.entstly the authors suggest the methodology to predict hydrodynamic derivertives acting on the full-scale Manta UUV.
An experimental study was carried out to investigate the reduced frequency effect on the near-wake of an elliptic airfoil oscillating in pitch. The airfoil was sinusoidally pitched around the center of the chord between -5$^{\circ}$and +25$^{\circ}$angles of attack at an airspeed of 3.4 m/s. The chord Reynolds number and reduced frequencies were 3.3 ${\times}$10$^4$, and 0.1, 0.7, respectively Phase-averaged axial velocity and turbulent intensity profiles are presented to show the reduced frequency effects on the near-wake behind the airfoil oscillating In pitch. Axial velocity defects in the near-wake region have a tendency to increase in response to a reduced frequency during pitch up motion, whereas it tends to decrease during pitch down motion at a positive angle of attack. Turbulent intensity at positive angles of attack during the pitch up motion decreased in response to a reduced frequency, whereas turbulent intensity during the pitch down motion varies considerably with downstream stations. Although the true instantaneous angle of attack compensated for a phase-lag is large, the wake thickness of an oscillating airfoil is not always large because of laminar or turbulent separation.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.47
no.3
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pp.328-341
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2010
The authors adopt the Unmanned Undersea Vehicle(UUV), which has taken the shape of manta(Sohn et al. 2006). They call here it Manta-type Unmanned Undersea Test Vehicle(MUUTV). MUUTV is designed with the similar concept of UUV called Manta Test Vehicle(MTV), which was originally built by the Naval Undersea Warfare Center, USA(Lisiewicz and French 2000, Sirmalis et al. 2001, U.S. Navy 2004). The present study deals with evaluation of extreme motion of MUUTV at large attack angles. Extreme motion contains, for example, rising and depth change due to operation of hovering thrusters attached to MUUTV, lateral motion due to ocean current applied to MUUTV at low advance velocity, and so on. Numerical simulation technique has been utilized. The previous mathematical model on manoeuvring motion of MUUTV(Bae et al. 2009a) is basically adopted. Based on the results of present model experiment on extreme motion, the mathematical model is revised and supplemented in order to describe extreme motion. The hydrodynamic derivatives related to extreme motion are obtained from present model experiment and the other derivatives are referred to previous work(Bae et al. 2009a).
Flow around a guided missile in high maneuver, i.e. at a high angle of attack, shows complex phenomena. It is well known that even in geometrically symmetric conditions the flow around a missile at high angles of attack can generate unexpected large side forces and yaw moments due to asymmetric vortices. In this paper, a CFD code (FLUENT) based on the Navier-Stokes equations was used for the numerical analysis to find a suitable numerical mechanism for generation of asymmetric vortices. It is shown that a numerical technique of applying different surface roughness to a specific area of the missile nose surface gives the best fit in comparison with the experimental results. In addition, a numerical investigation of variations of side forces and pressure distributions with angle of attack and roll angle was conducted for the purpose of identifying the source of vortex asymmetries.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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