Pressure measurements on static and autorotating flat plates have been recently reported by Lin et al. (2006), Holmes, et al. (2006), and Richards, et al. (2008), amongst others. In general, the variation of the normal force with respect to the angle of attack appears to stall in the mid attack angle range with a large scale separation in the wake. To date however, no surface pressures have been measured on auto-rotating plates that are typical of a certain class of debris. This paper presents the results of an experiment to measure the aerodynamic forces on a flat plate held stationary at different angles to the flow and allowing the plate to auto-rotate. The forces were determined through the measurement of differential pressures on either side of the plate with internally mounted pressure transducers and data logging systems. Results are presented for surface pressure distributions and overall integrated forces and moments on the plates in coefficient form. Computed static force coefficients show the stall effect at the mid range angle of attack and some variation for different Reynolds numbers. Normal forces determined from autorotational experiments are higher than the static values at most pitch angles over a cycle. The resulting moment coefficient does not compare well with current analytical formulations which suggest the existence of a flow mechanism that cannot be completely described through static tests.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.12
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pp.1161-1169
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2012
A numerical study has been conducted to investigate the aerodynamic characteristics and behavior of a wing-tip vortex around a three-dimensional symmetric wing (NACA0015) in the vicinity of the ground. The aerodynamic characteristics and the wing-tip vortex change as a wing approaches the ground as a result of two different phenomena: the ground effect and the Venturi effect. The ground effect increases lift and decreases drag whereas the Venturi effect generates negative lift and increases drag suddenly. A symmetric airfoil experiences both phenomena with respect to changes in the angle of attack. In the case of a NACA0015 airfoil, the Venturi effect is dominant at small angles of attack but the ground effect is dominant at large angles of attack. Interestingly, both phenomena can be observed at the 4 degree of angle of attack. The vortex core moves inside a wing when the wing experiences the Venturi effect, whereas the vortex core moves outward when the wing experiences the ground effect.
We propose a wall distance free one-equation turbulence model. The model is organized in an extremely simple form. Only a few model constants were introduced into the model. The model is numerically tough and easy-of-use. The model also demonstrated the ability to simulate the laminar to turbulent flow transition. The model has been applied to the channel flow, the plane jet, the backward facing step flow, the flat plate boundary layer, as well as the flow around the 2D airfoil at large angles of attack, which obtained satisfactory results.
Wind tunnel tests were conducted on a model of deck section from the Ting Kau cable stayed bridge. The purpose of the tests was to determine the set of aerodynamic derivatives conventionally used to describe the motion-induced forces arising from the wind flow, and to investigate the stability of the deck under different conditions of turbulence and angle of attack. The study shows that except for large negative angles of attack the deck section itself is stable up to a high wind speed, and that when instability does occur it is essentially a single degree of freedom (torsional) flutter.
An, Yonghui;Wang, Chaoqun;Li, Shengli;Wang, Dongwei
Wind and Structures
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v.23
no.6
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pp.595-613
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2016
Large amplitude oscillation of steepled main cables usually presents during construction of a long-span bridge. To study this phenomenon, six typical main cables with different cross sections during construction are investigated. Two main foci have been conducted. Firstly, aerodynamic coefficients of a main cable are obtained and compared through simulation and wind tunnel test: (1) to ensure the simulation accuracy, influences of the numerical model's grid size, and the jaggy edges of main cable's cross section on main cable's aerodynamic coefficients are investigated; (2) aerodynamic coefficients of main cables at different wind attack angles are obtained based on the wind tunnel test in which the experimental model is made by rigid plastic using the 3D Printing Technology; (3) then numerical results are compared with wind tunnel test results, and they are in good agreement. Secondly, aerodynamic coefficients of the six main cables at different wind attack angles are obtained through numerical simulation. Then Den Hartog criterion is used to analyze the transverse galloping of main cables during construction. Results show all the six main cables may undergo galloping, which may be an important reason for the large amplitude oscillation of steepled main cables during construction. The flow structures around the main cables indicate that the characteristic of the airflow trajectory over a steepled main cable may play an important role in the galloping generation. Engineers should take some effective measures to control this harmful phenomenon due to the big possibility of the onset of galloping during the construction period.
Chen, Zhenhua;Lin, Zhenyun;Tang, Haojun;Li, Yongle;Wang, Bin
Wind and Structures
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v.29
no.6
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pp.417-430
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2019
To study the wake influence of an upstream bridge on the wind-resistance performance of a downstream bridge, two adjacent long-span cable-stayed bridges are taken as examples. Based on wind tunnel tests, the static aerodynamic coefficients and the dynamic response of the downstream bridge are measured in the wake of the upstream one. Considering different horizontal and vertical distances, the flutter derivatives of the downstream bridge at different angles of attack are extracted by Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations and discussed, and the change in critical flutter state is further studied. The results show that a train passing through the downstream bridge could significantly increase the lift coefficient of the bridge which has the same direction with the gravity of the train, leading to possible vertical deformation and vibration. In the wake of the upstream bridge, the change in lift coefficient of the downstream bridge is reduced, but the dynamic response seems to be strong. The effect of aerodynamic interference on flutter stability is related to the horizontal and vertical distances between the two adjacent bridges as well as the attack angle of incoming flow. At large angles of attack, the aerodynamic condition around the downstream girder which may drive the bridge to torsional flutter instability is weakened by the wake of the upstream bridge, and the critical flutter wind speed increases at this situation.
Tests were conducted at the Florida International University (FIU) Wall of Wind (WOW) to investigate the susceptibility of Variable Message Signs (VMS) to wind induced vibrations due to vortex shedding and galloping instability. Large scale VMS models were tested in turbulence representative of the high frequency end of the spectrum in a simulated suburban atmospheric boundary layer. Data was measured for the $0^{\circ}$ and $45^{\circ}$ horizontal wind approach directions and vertical attack angles ranging from $-4.5^{\circ}$ to $+4.5^{\circ}$. Analysis of the power spectrum of the fluctuating lift indicated that vertical vortex oscillations could be significant for VMS with a large depth ratio attached to a structure with a low natural frequency. Analysis of the galloping test data indicated that VMS with large depth ratios, greater than about 0.5, and low natural frequency could also be subject to galloping instability.
Du, Xiaoqing;Jiang, Benjian;Dai, Chin;Wang, Guoyan;Chen, Suren
Wind and Structures
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v.26
no.2
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pp.57-68
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2018
Wind tunnel tests are conducted to investigate wake-induced vibrations of two circular cylinders with a center-to-center spacing of 4 diameters and attack angle varying from $0^{\circ}$ to $20^{\circ}$ for Reynolds numbers between 18,000 and 168,800. Effects of structural damping, Reynolds number, attack angle and reduced velocity on dynamic responses are examined. Results show that wake-induced vortex vibrations of the downstream cylinder occur in a wider range of the reduced velocity and have higher amplitudes in comparison to the vortex-induced vibration of a single circular cylinder. Two types of wake-induced instability phenomena with distinct dynamic characteristics are observed, which may be due to different generation mechanisms. For small attack angles like $5^{\circ}$ and $10^{\circ}$, the instability of the downstream cylinder characterizes a one-degree-of-freedom (1-DOF) oscillation moving in the across-wind direction. For a large attack angle like $20^{\circ}$, the instability characterizes a two-degree-of-freedom (2-DOF) oscillation with elliptical trajectories. For an attack angle of $15^{\circ}$, the instability can transform from the 1-DOF pattern to the 2-DOF one with the increase of the Reynolds number. Furthermore, the two instabilities show different sensitivity to the structural damping. The 1-DOF instability can be either completely suppressed or reduced to an unsteady oscillation, while the 2-DOF one is relatively less sensitive to the damping level. Reynolds number has important effects on the wake-induced instabilities.
Small horizontal axis wind turbines (HAWTs) can be used to produce power in areas where the wind conditions are not favorable or optimal for large HAWTs. A newly designed airfoil for use in small HAWTs was analyzed in CFD to predict the aerodynamic performance at various Reynolds numbers over a various angles of attack. The coefficient of lift and drag, CL and CD, and the pressure distribution over the airfoil was obtained. It was found that the airfoil could achieve very good aerodynamic characteristics. The results of the numerical analysis will be compared against experimental data for validation purposes.
A low-order potential based boundary element method is applied for the prediction of the performance of flapped rudders as well as all-movable rudders in steady inflow. In order to obtain a reasonable solution at large angles of attack, the location of the trailing wake sheet is determined by aligning freely with the local flow. The effect of the wake sheet roll-up is also included with use of a high order panel method. The flow in the gap of a flapped rudder is modeled as Couette flow and its effect is introduced into the kinematic boundary conditions for flux at both the inlet and the outlet of the gap. In order to validate the present method, the method is applied for a series of rudders and the computational results on forces and moments are compared with experimental data. The effect of the gap size on the forces and moments is also presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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