International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제13권1호
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pp.194-207
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2021
Vortex-Induced Vibration (VIV) is a major contributor to the fatigue damage of marine risers which are often arranged in an array configuration. In addition to helical strakes and fairings, studies have been strived in searching for possible VIV suppression techniques. Inspired by giant Saguaro Cacti, flexible cylinders of different cactus-shaped cross sections were tested in a water tunnel facility, and test results showed that cactus-like body shapes reduced VIV responses of a cylinder at no cost of significant increase of drag. A series of experiments were conducted on a pair of two tandem-arranged flexible cylinders and an array of four cylinders in a square configuration to investigate the effects of wake on the dynamic responses of cylinders and the VIV mitigation effectiveness of the cactus-like body shape. Results showed that the cylinders in a square configuration, either at the upstream or downstream positions, might have larger dynamic responses than those of a single cylinder. The cactus-like body shape could mitigate VIV responses of cylinders at upstream positions in an array configuration; however, similar to helical strakes, the mitigation efficiency was reduced on downstream cylinders. Note that the cactus-like cross-sectional shape investigated was not optimized for VIV suppression. The present study indicates that the modification of the cross-sectional shape of a cylinder to a well-designed cactus-like shape may be used as an alternative technique to mitigate the VIV of marine risers.
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.
This paper presents some examples of active control of flow-induced vibration using piezoelectric actuators. The flutter phenomenon, which is the dynamic instability of structure due to mutual interaction among inertia, stiffness, and aerodynamic forces, may cause catastrophic structural failure, and therefore the active flutter suppression is one of the main objectives of the aeroelastic control. Active flutter control has been numerically and experimentally studied for swept-back lifting surfaces using piezoelectric actuation. A finite element method, a panel aerodynamic method, and the minimum state space realization are involved in the development of the governing equation, which is efficiently used for the analysis of the system and design of control laws with modern control framework. The active control suppressed flow-induced vibrations and extended the flutter speed around by 10%. Another representative flow-induced vibration phenomenon is the oscillation of blunt bodies due to the vortex shedding. In general, it is quite difficult to set up the numerical model because of the strong non-linearity of the vortex shedding structure. Therefore, we applied adaptive positive position feedback controller, which requires no pre-determined model of the plant, and successfully suppressed the flow-induced vibration.
The flow around a circular cylinder advancing beneath the free surface is numerically investigated using a VOF method. The simulations cover Froude numbers in the range of 0.2~0.6 and gap ratios (h/d) in the range of 0.1~2.0, where h is the distance from the free surface to a cylinder, and d is the diameter of a cylinder at Reynolds number 180. It is observed that the vortex suppression effect and surface deformation increase as the gap ratio decreases or the Froude number increases. The most important results of the present study are as follows. The proximity of the free surface causes an initial increase in the Strouhal number and drag coefficient, and the maximum Strouhal number and drag coefficient occur in the range of 0.5~0.7. However, this trend reverses as the gap ratio becomes small, and the lift coefficient increases downward as the gap ratio decreases.
본 연구에서는 경사원주에서 발생하는 소용돌이 여기진동을 억제하기 위한 방 법으로 원주구조물 주위에서 발생하는 규칙적인 소용돌이 방출에 의한 여진력을 감소 시키도록 원주표면에 fin이나 wire를 부착시켜 단면형상을 바꾸는 방안을 실험적으로 검토한다. 즉, 밀폐순환식 유로을 이용하여 흐름에 경사되도록 탄성지지된 원주에 나선상의 fin과 wire를 감아, 경사각(.theta.)을 45, 60, 75, 90도, 나선피치각(.alpha.)을 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60도, 나선권수(n)를 1,2,3으로 하여, 진동특성을 실험적으로 조사하고, plain원주와 비교하여 제진효과를 확인하며, 더우기 나선핀 원주의 최적형 상을 구하는 것을 목적으로 한다.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제36권5호
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pp.618-626
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2012
Suppression of abnormal flow phenomena in the Francis hydro turbine is very important to improve the turbine performance. Especially, as cavitation and cavitation surge makes serious problems when the turbine is operated in the range of partial flow rate, optimum method of suppressing the abnormal flow characteristics is required necessarily. Moreover, as swirl flow in the draft tube of the Francis turbine decreases pressure at the inlet of the draft tube, suppression of the swirl flow can be an useful method of suppressing the occurrence of cavitation. In order to clarifying the possibility of suppressing the swirl flow by J-Groove in the draft tube, a series of CFD analysis has been conducted in the range of partial load, designed condition and excessive flow rate of a Francis turbine. A kind of J-Groove is designed and applied to the draft tube of the Francis hydro turbine model. The pressure contours, circumferential velocity vectors and vortex core regions in the draft tube are compared by the conditions with or without J-Groove. In addition, a group of data about the velocity in the draft is presented to show the influence of J-Groove.
Direct numerical simulation (DNS) is performed to investigate suppressed wake transition and occurrence of lock-on in the wake of a circular cylinder disturbed by sinusoidal perturbation at the Reynolds number of 220 (A-mode instability regime). The sinusoidal perturbation, of which the frequency is near twice the natural shedding frequency, is superimposed on the free stream velocity. It is shown that the wake transition behind the circular cylinder can be suppressed due to the perturbation of the free stream velocity. This change causes a jump in the Strouhal number from the value corresponding to A-mode instability regime to the value corresponding to retarded wake transition regime (extrapolated from laminar shedding regime) in the Strouhal-Reynolds number relationship. As a result, vortex shedding frequency is locked on the perturbation frequency depending not on the natural shedding frequency but on the modified shedding frequency.
A series of wind tunnel tests, including 1:50 sectional model tests, 1:50 free-standing bridge tower tests and 1:70 full-bridge aeroelastic model tests were carried out to systematically investigate the aerodynamic performance of the Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge (HZMB). The test result indicates that there are three wind-resistant safety issues the HZMB encounters, including unacceptable low flutter critical wind speed, vertical vortex-induced vibration (VIV) of the main girder and galloping of the bridge tower in across-wind direction. Wind-induced vibration of HZMB can be effectively suppressed by the application of aerodynamic and mechanical measures. Acceptable flutter critical wind speed is achieved by optimizing the main girder form (before: large cantilever steel box girder, after: streamlined steel box girder) and cable type (before: central cable, after: double cable); The installations of wind fairing, guide plates and increasing structural damping are proved to be useful in suppressing the VIV of the HZMB; The galloping can be effectively suppressed by optimizing the interior angle on the windward side of the bridge tower. The present works provide scientific basis and guidance for wind resistance design of the HZMB.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제3권2호
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pp.137-149
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2010
The purpose of the present research is to suppress cavitation instabilities by using a circumferential groove. The circumferential groove was designed based on CFD so that the tip leakage vortex is trapped by the groove and does not interact with the next blade. Experimental results show that the groove can suppress rotating cavitation, asymmetric cavitation and cavitation surge. However, weak instabilities with higher frequency could not be suppressed by the groove. From the analysis of pressure pattern similar to that for rotor-stator interaction, it was found that the higher frequency components are caused by the interaction of backflow vortices with the inducer blades.
This study performed numerical simulation to elucidate the characteristics of flow past a rectangular cylinder with various values of the aspect ratio(AR) of the cylinder. We calculated the flow field, force coefficients and Strouhal number of vortex shedding depending on the Reynolds number(Re) and the aspect ratio. The $AR{\approx}1$ is preferred for drag reduction, and 0.375$AR{\approx}0$ is recommended if suppression of the lift-coefficient fluctuation and the shedding frequency is desirable. Furthermore the criticality of the Hopf bifurcation is also reported for each AR.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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