ANSYS multi-physics software was applied to solve the coupled dynamic problem related to a full-scale TLP foundation for floating wind turbines. In this coupled dynamics simulation, the forced oscillation imposed on the tethers' top resulting from the sway of the wind turbine platform and the self-excited vortex-induced vibration (VIV) along the tether span have been taken into account. The stability of this tensioned tether system has been validated in the form of separate static and dynamic analyses. The dynamic characteristics of the tensioned tether linked to the floating wind turbine were analyzed by the resultant modal form and its corresponding vortex shedding pattern. The calculated result shows that even a slight forced oscillation imposed on the tethers' top leads to the VIV amplification and enhances the risk of instability in the case of low pretension. It is also found that the "synchronization" would be aggravated when the top tension decreases and the "2P" vortex shedding mode takes place. The increased top tension imposed on the tethers contributes to the stability of the tensioned legs by diminishing the oscillation amplitude markedly.
A π-shaped composite deck in the form of an open section is a type of blunt body that is highly susceptible to wind loads. To investigate its vortex-induced vibration (VIV) performance, a large-scale (1/20) section model of a cable-stayed bridge with a main span of 650 m was tested in a wind tunnel. The vibration suppression mechanism of the countermeasures was analyzed using computational fluid dynamic. Experimental results demonstrate that the vertical and torsional VIVs of the original section can be suppressed by combining guide plates with a tilt angle of 35° and bottom central stabilizing plates as aerodynamic countermeasures. Numerical results indicate that the large-scale vortex under the deck separates into smaller vortices, resulting in the disappearance of the von Kármán vortex street in the wake zone because the countermeasures effectively suppress the VIVs. Furthermore, a full-bridge aeroelastic model with a scale of 1/100 was constructed and tested to evaluate the wind resistance performance and validate the effectiveness of the proposed countermeasures.
When bridges are constructed with lower heights from the ground, the formed channel between the deck and the ground will inevitably hinder or accelerate the air flow. This in turn will have an impact on the aerodynamic forces on the deck, which may result in unexpected wind-induced responses of bridges. This phenomenon can be referred to "ground effects." So far, no systematic studies into ground effects on the wind-induced responses of closed box girders have been performed. In this paper, wind tunnel tests have been adopted to study the ground effects on the aerodynamic force coefficients and the wind-induced responses of a closed box girder. In correlation with the heights from the ground in two ground roughness, the aerodynamic force coefficients, the Strouhal number ($S_t$), the vortex-induced vibration (VIV) lock-in phenomena over a range of wind velocities, the VIV maximum amplitudes, the system torsional damping ratio, the flutter derivatives, the critical flutter wind speeds and their variation laws correlated with the heights from the ground of a closed box girder have been presented through wind tunnel tests. The outcomes show that the ground effects make the vortex-induced phenomena occur in advance and adversely affect the flutter stability.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.36
no.5
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pp.315-321
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2023
Long-span bridges are flexible structures with low natural frequencies and damping ratios, making them susceptible to vibrational serviceability problems. However, the current design guideline of South Korea assumes a uniform threshold of wind speed or vibrational amplitude to assess the occurrence of harmful vibrations, potentially overlooking the complex vibrational patterns observed in long-span bridges. In this study, we propose a pointwise vortex-induced vibration (VIV) detection method using a deep-learning-based signalsegmentation model. Departing from conventional supervised methods of data acquisition and manual labeling, we synthesize training data by generating sinusoidal waves with an envelope to accurately represent VIV. A Fourier synchrosqueezed transform is leveraged to extract time-frequency features, which serve as input data for training a bidirectional long short-term memory model. The effectiveness of the model trained on synthetic VIV data is demonstrated through a comparison with its counterpart trained on manually labeled real datasets from an actual cable-supported bridge.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.53
no.6
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pp.514-520
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2016
Oil and gas production riser systems need to be designed considering a wide band quarter-modal analysis which contains low-, wave-, VIV(Vortex induced vibration) frequencies. The VIV can be separated into cross-flow(CF) and in-line(IL) components. In this study, the various idealized tri- and quarter-modal spectra are suggested to analyze fatigue damage on the production riser system. In order to evaluate the fatigue damage increment caused by the IL's motion, tri- and quarter-modal spectral fatigue damages are calculated in time domain. And the fatigue damage calculated from two different modal spectra are compared quantitatively. Then the suitability of existent wide band fatigue damage models for quarter modal spectrum was evaluated by comparison of frequency domain calculation and time domain calculation. The result show that although spectral density of IL motion is not remarkable in quantity, the effect on the fatigue damage is significant and existent fatigue damage models are not adequately estimating damage by quarter-modal spectra.
Open decks are a widely used deck configuration in long-span cable-stayed bridges; however, incorporating aerodynamic countermeasures are advisable to achieve better aerodynamic performance than a bluff body deck alone. A sectional model of an open deck cable-stayed bridge with a main span of 400 m was selected to conduct a series of wind tunnel tests. The influences of five practical aerodynamic countermeasures on flutter and vortex-induced vibration (VIV) performance were investigated and are presented in this paper. The results show that an aerodynamic shape selection procedure can be used to evaluate the flutter stability of decks with respect to different terrain types and structural parameters. In addition, the VIV performance of $\prod$-shaped girders for driving comfortableness and safety requirements were evaluated. Among these aerodynamic countermeasures, apron boards and wind fairings can improve the aerodynamic performance to some extent, while horizontal guide plates with 5% of the total deck width show a significant influence on the flutter stability and VIV. A wind fairing with an angle of $55^{\circ}C$ showed the best overall control effect but led to more lock-in regions of VIV. The combination of vertical stabilisers and airflow-depressing boards was found to be superior to other countermeasures and effectively boosted aerodynamic performance; specifically, vertical stabilisers significantly contribute to improving flutter stability and suppressing vertical VIV, while airflow-depressing boards are helpful in reducing torsional VIV.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.1
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pp.9-18
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2016
The slender structures such as high rise building or marine riser are highly susceptible to dynamic force exerted by fluid-structure interactions among which vortex-induced vibration(VIV) is the main cause of dynamic unstability of the structural system. If VIV occurs in natural frequency regime of the structure, fatigue failure likely happens by so-called lock-in phenomenon. This study presents the numerical analysis of dynamic behavior of both structure and fluid in the lock-in regimes and investigates the subjacent phenomena to hold the resonance frequency in spite of the change of flow condition. Unsteady and laminar flow was considered for a two-dimensional circular cylinder which was assumed to move freely in 1 degree of freedom in the direction orthogonal to the uniform inflow. Fluid-structure interaction was implemented by solving both unsteady flow and dynamic motion of the structure sequentially in each time step where the fluid domain was remeshed considering the movement of the body. The results show reasonable agreements with previous studies and reveal characteristic features of the lock-in phenomena. Not only the lift force but also drag force are drastically increasing during the lock-in regime, the vertical displacement of the cylinder reaches up to 20% of the diameter of the cylinder. The correlation analysis between lift and vertical displacement clearly show the dramatic change of the phase difference from in-phase to out-of-phase when the cylinder experiences lock-in. From the results, it can be postulated that the change of phase difference and flow condition is responsible for the resonating behavior of the structure during lock-in.
This paper presents 3D numerical simulations of a Free Standing Hybrid Riser under Vortex Induced Vibration, with prescribed motion on the top to replace the motion of the buoyancy can. The model is calculated using a fully implicit discretization scheme. The flow field around the riser is computed by solving the Navier-Stokes equations numerically. The fluid domain is discretized using the overset grid approach. Grid points in near-wall regions of riser are of high resolution, while far field flow is in relatively coarse grid. Fluid-structure interaction is accomplished by communication between fluid solver and riser motion solver. Simulation is based on previous experimental data. Two cases are studied with different current speeds, where the motion of the buoyancy can is approximated to a 'banana' shape. A fully three-dimensional CFD approach for VIV simulation for a top side moving Riser has been presented. This paper also presents a simulation of a riser connected to a platform under harmonic regular waves.
Aerodynamic forces of vortex-induced vibration and galloping are going to be coupled when their onset velocities are close to each other, which will induce the cross-wind amplitudes of the structures increased continuously with ever-increasing wind velocities. The main purpose of the present work is going to propose an empirical formula to predict the response amplitude of VIV-galloping interaction. Firstly, two typical mathematical models for the coupled oscillations, i.e., Tamura & Shimada model and Parkinson & Corless model are comparatively summarized. Then, the key parameter affecting response amplitude is determined through comparative numerical simulations with Tamura & Shimada model. For rectangular cylinders with the side ratio from 0.5 to 2.5, which are actually prone to develop the VIV and galloping induced interaction responses, an empirical amplitude prediction formula is proposed after regression analysis on comprehensively collected experimental data with the predetermined key parameter.
We investigated the Reynolds number effects on the flow over a twisted offshore structure in the range of 3×103≤ Re ≤ 1 × 104. To analyze the effect of the twisted surface treatment, a large eddy simulation (LES) with a dynamic subgrid model was employed. A simulation of the cylindrical structure was also carried out to compare the results with those of the twisted offshore structure. As Re increased, the mean drag and lift coefficient of the twisted offshore structure increased with the same tendency as those of the cylindrical structure. However, the increases in the mean drag and lift coefficient of the twisted offshore structure were much smaller than those of the cylindrical structure. Furthermore, elongated shear layer and suppressed vortex shedding from the twisted offshore structure occurred compared to those of the cylindrical cylinder, resulting in a drag reduction and suppression of the vortex-induced vibration (VIV). In particular, the twisted offshore structure achieved a significant reduction of over 96% in VIV compared with that of the cylindrical structure, regardless of increasing Re. As a result, we concluded that the twisted offshore structure effectively controlled the flow structures with reductions in the drag and VIV compared with the cylindrical structure, irrespective of increasing Re.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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