Kim, Shin-Woong;Lee, Seung-Jae;Park, Cheol-Young;Kang, Donghoon
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.8
no.4
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pp.330-343
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2016
This paper presents results of an experimental investigation of vortex-induced vibration (VIV) of a flexibly mounted and rigid cylinder with two-degrees-of-freedom with respect to varying ratio of in-line natural frequency to cross-flow natural frequency, $f^*$, at a fixed low mass ratio. Combined in-line and cross-flow motion was observed in a sub-critical Reynolds number range. Three-dimensional displacement meter and tension meter were used to measure dynamic responses of the model. To validate the results and the experiment system, x and y response amplitudes and ratio of oscillation frequency to cross-flow natural frequency were compared with other experimental results. It has been found that the higher harmonics, such as third and more vibration components, can occur on a certain part of steel catenary riser under a condition of dual resonance mode. In the present work, however, due to the limitation of a size of circulating water channel, the whole test of a whole configuration of the riser at an adequate scale for VIV phenomenon was not able to be conducted. Instead, we have modeled a rigid cylinder and assumed that the cylinder is a part of steel catenary riser where the higher harmonic motions could occur. Through the experiment, we have found that even though the cylinder was assumed to be rigid, the occurrence of the higher harmonic motions was observed in a small reduced velocity ($V_r$) range, where the influence of the in-line response is relatively large. The transition of the vortex shedding mode from one to another was examined by using time history of x and y directional displacement over all experimental cases. We also observed the influence of in-line restoring force power spectral density with $f^*$.
To better understand the vortex-induced vibration (VIV) characteristics of a 5:1 rectangular cylinder, the distribution of aerodynamic force and the non-dimensional power spectral density (PSD) of fluctuating pressure on the side surface were studied in different VIV development stages, and their differences in the stationary state and vibration stages were analyzed. The spanwise and streamwise correlations of surface pressures were studied, and the flow field structure partitions on the side surface were defined based on the streamwise correlation analysis. The results show that the variation tendencies of mean and root mean square (RMS) pressure coefficients are similar in different VIV development stages. The RMS values during amplitude growth are larger than those at peak amplitude, and the smallest RMS values are observed in the stationary state. The spanwise correlation coefficients of aerodynamic lifts increase with increase of the peak amplitude. However, for the lock-in region, the maximum spanwise correlation coefficient for aerodynamic lifts occurs in the VIV rising stage rather than in the peak amplitude stage, probably due to the interaction of vortex shedding force (VSF) and self-excited force (SEF). The streamwise correlation results show that the demarcation point positions between the recirculation region and the main vortex region remain almost constant in different VIV development stages, and the reattachment points gradually move to the tailing edge with increasing amplitude. This study provides a reference to estimate the demarcation point and reattachment point positions through streamwise correlation and phase angle analysis from wind tunnel tests.
Vortex-induced vibration (VIV) is a significant concern when designing slender structures with square cross sections. VIV strongly depends on structural dynamics and flow states, which depend on the conditions of the approaching flow and shape of a structure. Therefore, the effects of the angle of attack on the coupling effects of VIV for a square cylinder are expected to be significant in practice. In this study, the aerodynamic forces for a fixed and elastically mounted square cylinder were measured using wind pressure tests. Aerodynamic forces on the stationary cylinder are firstly discussed by comparisons of variation of statistical aerodynamic force and wind pressure coefficient with wind angle of attack. The coupling effect between the aerodynamic forces and the motion of the oscillating square cylinder by VIV is subsequently investigated in detail at typical wind angels of attack with occurrence of three typical flow regimes, i.e., leading-edge separation, separation bubble (reattachment), and attached flow. The coupling effect are illustrated by discussing the onset of VIV, characteristics of aerodynamic forces during VIV, and interaction between motion and aerodynamic forces. The results demonstrate that flow states can be classified based on final separation points or the occurrence of reattachment. These states significantly influence coupling effects of the oscillating cylinder. Vibration enhances vortex shedding, which creates strong fluctuations in aerodynamic forces. However, differences in the lock-in range, aerodynamic force, and interaction process for angles of attack smaller and larger than the critical angle of attack revealed noteworthy characteristics in the VIV of a square cylinder.
Kim, Yong-Chul;Kanda, Jun;Tamura, Yukio;Yoon, Sung-Won
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.13
no.1
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pp.97-104
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2013
Recent tall buildings tend to have unconventional shapes as a prevailing, which is effective for suppressing across-wind responses. Suppression of across-wind responses is a major factor in tall building projects, and the so called aerodynamic modification method is comprehensively used. The purpose of the present study is to investigate the pressure fluctuations on tapered and setback tall buildings, including peak pressures, power spectra and coherences through the synchronous multi-pressure sensing system techniques. And flow measurements around the models were conducted to investigate the condition of vortex shedding. The results show that by tapering and setback, different distributions of mean pressure coefficients at leeward surface were found, which is caused by the geometric characteristics of the models. And the power spectra of wind pressures at sideward surface become wideband and the peak frequencies are different depending on heights, which makes the correlation near the Strouhal component low or even negative. The differences in shedding frequencies were also confirmed by the flow fields around the models.
The characteristics of flow past a square cylinder submerged under the free surface have been numerically studied. An immersed boundary method was adopted for implementation of the cylinder cross-section in a Cartesian grid system. Also, a level-set method was used to capture the interface of the two fluids. The case for Reynolds number 150 was examined. At the specific Reynolds number, by varying the gap ratio(0.25, 0.40, 0.55, 0.70, 1.00, 1.50, 2.50, 5.00) the effects of the free surface on the force coefficients and Strouhal number of vortex shedding were identified. The presence of the free surface very close to the cylinder significantly affects the shedding pattern, resulting in considerable deviation of the force coefficients and Strouhal number from those of the single-phase flow. In addition, the influence of Froude number was considered in this study. By increasing Froude number(0.2-0.4), flow topology change was identified at the specific gap ratios(0.40, 0.70, 1.50, 5.00).
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.22
no.11
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pp.767-772
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2010
The incompressible viscous flow past a sphere under forced oscillation is numerically investigated at a Reynolds number of 300. The immersed boundary method is used to handle the sphere oscillating vertically to the streamwise direction. There are two important variables to characterize the oscillating state of a sphere. One is an oscillating amplitude normalized by the sphere diameter is set as a fixed number of 0.2. Another is the frequency ratio which is defined by $f_e/f_o$, where fe and fo are the excited frequency and the natural frequency of vortex shedding for the stationary sphere. In this study, three different frequency ratios of 0.8, 1.0 and 1.2 are considered. The results show a periodic flow with hairpin vortices shedding from upper and lower positions as well as vortical legs obliquely extended by oscillating motion of sphere. The enveloping vortical structure experience rupture twice in one period of oscillation. As the frequency of oscillation is increased, the vortical legs are getting shorter and eventually the hairpin vortices are much closer to the adjacent one.
Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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v.25
no.6
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pp.795-801
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2019
The aim of this study was to investigate the possibility of the skin-friction reduction by vortex control. A vortical system such as a horseshoe vortex, a hairpin vortex, and a wake region was induced around a hemisphere attached on a Perspex flat plate in the circulating water channel. Hairpin vortices were developed from the wake region and horseshoe vortices were formed by an adverse pressure gradient in front of the hemisphere. The horseshoe vortices located on the flank of the hemisphere induced a high momentum flow in the wake region by the direction of their vorticity. This process increased the frequency of the hairpin vortices as well as the frictional drag on the surface of the wake region. To reduce the skin-friction drag, suction control in front of the hemisphere was applied through a hole. Flow visualization was performed to optimize the free-stream velocity, size of the hemisphere, and size of the suction hole. Once the wall suction control mitigated the strength of the horseshoe vortex, the energy supplied to the wake region was reduced, causing the frequency of the hairpin vortex generation to decrease by 36.4 %. In addition, the change in the skin-friction drag, which was measured with a dynamometer connected to a plate in the wake region, also decreased by 2.3 %.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.20
no.8
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pp.2601-2610
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1996
Surface protrusions have been attached on a cylinder surface to reduce the flow-induced structural vibration by controlling the wake flow. Wind tunnel tests on the near wake of a circular cylinder with surface protrusions were carried out to investigate the flow characteristics of the controlled wake. Three experimental models were used in this experiment; one plain cylinder of diameter D and two cylinders wrapped helically by three small wires of diameter d=0.075D with pitches of 5D and 10D, respectively. Free stream velocity was ranged to have Reynolds number from 5000 to 50,000. Streamwise and vertical velocity components of the wake were measured by a hot-wire anemometry. The spanwise velocity component measured by a one-component fiber optic LDV revealed that time-averaged wake field has a nearly two-dimensional structure. It was found that the surface protrusions elongate the vortex formation region, which decrease the vortex shedding frequency. The suppression of vortices caused by the surface protrusions increases the velocity deficit in the center of wake region.
Kim, Jeong-Hu;Yoon, Hyun-Sik;Tuan H.A.;Chun, Ho-Hwan
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.43
no.3
s.147
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pp.322-330
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2006
Numerical calculations are carried out for flow past a circular cylinder forced oscillating normal to the free-stream flow at a fixed Reynolds number equal to 185. The cylinder oscillation frequency ranged from 0.8 to 1.2 of the natural vortex-shedding frequency, and the oscillation amplitude extended up to 20% of the cylinder diameter. IBM (Immersed Boundary Method) with direct momentum forcing was adopted to handle both of a stationary and an oscillating cylinder Present results such as time histories of drag and lift coefficients for both stationary and oscillating cases are in good agreement with previous numerical and experimental results. The instantaneous wake patterns of oscillating cylinder with different oscillating frequency ratios showed the synchronized wakes pattern in the lock-in region and vortex switching phenomenon at higher frequency ratio than the critical frequency ratio.
The two-dimensional unsteady incompressible viscous flow behind rectangular bluff bodies between two parallel plates was analyzed numerically. The steady state flow and the vortex flow behind rectangular bluff bodies in the channel were investigated for two regimes i.e., the laminar(Re = 100, 300, 500) and the turbulent flows(Re = 10⁴∼10/sup 6/). The vortex shedding was generated by a physical disturbance(6%) numerically imposed at the rear of the bluff bodies for a short time. It was observed that the perturbed flow became periodic after a transient period. And in the case of unsteady inflow, the sinusoidal pulsatile flow was applied as the inlet condition in the turbulent flow of Reynolds number of 1.0×10/sup 5/. FLUENT code was employed to solve the problems. The power-law scheme was used to get stable linearized equations and the PISO algorithm was applied to finding the solution of them.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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