A new inflow turbulence generation method and a combined dynamic SGS model recently developed by the authors were applied to evaluate the wind effects on 508 m high Taipei 101 Tower. Unlike the majority of the past studies on large eddy simulation (LES) of wind effects on tall buildings, the present numerical simulations were conducted for the full-scale tall building with Reynolds number greater than $10^8$. The inflow turbulent flow field was generated based on the new method called discretizing and synthesizing of random flow generation technique (DSRFG) with a prominent feature that the generated wind velocity fluctuations satisfy any target spectrum and target profiles of turbulence intensity and turbulence integral length scale. The new dynamic SGS model takes both advantages of one-equation SGS model and a dynamic production term without test-filtering operation, which is particular suitable to relative coarse grid situations and high Reynolds number flows. The results of comparative investigations with and without generation of inflow turbulence show that: (1) proper simulation of an inflow turbulent field is essential in accurate evaluation of dynamic wind loads on a tall building and the prescribed inflow turbulence characteristics can be adequately imposed on the inflow boundary by the DSRFG method; (2) the DSRFG can generate a large number of random vortex-like patterns in oncoming flow, leading to good agreements of both mean and dynamic forces with wind tunnel test results; (3) The dynamic mechanism of the adopted SGS model behaves adequately in the present LES and its integration with the DSRFG technique can provide satisfactory predictions of the wind effects on the super-tall building.
This article presents the unsteady aerodynamic performance of crosswind stability obtained numerically for the ATM train. Results of numerical investigations of airflow past a train under different yawing conditions are summarized. Variations of occurrence flow angle from parallel to normal with respect to the direction of forward train motion resulted in the development of different flow patterns. The numerical simulation addresses the ability to resolve the flow field around the train subjected to relatively large yaw angles with three-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations (RANS). ${\kappa}-{\varepsilon}$ turbulence model solved on a multi-block structured grid using a finite volume method. The massively separated flow for the higher yaw angles on the leeward side of the train justifies the use of RANS, where the results show good agreement with verification results. A method of solution is presented that can predict all aerodynamic coefficients and the wind characteristic curve at variety of angles at different speed.
The spanwise flow structure around a rigid smooth circular cylinder model in cross-flow has been investigated based on the experimental data obtained from a series of wind tunnel tests. Surface pressures were collected at five spanwise locations along the cylinder over a Reynolds number range of $1.14{\times}15^5$ to $5.85{\times}10^5$, which covered sub-critical, single-bubble and two-bubble regimes in the critical range. Separation angles were deduced from curve fitted to the surface pressure data. In addition, spanwise correlations and power spectra analyses were employed to study the spatial structure of flow. Results at different spanwise locations show that the transition into single-bubble and two-bubble regimes could occur at marginally different Reynolds numbers which expresses the presence of overlap regions in between the single-bubble regime and its former and later regimes. This indicates the existence of three-dimensional flow around the circular cylinder in cross-flow, which is also supported by the observed cell-like surface pressure patterns. Relatively strong spanwise correlation of the flow characteristics is observed before each transition within the critical regime, or formation of first and second separation-bubbles. It is also noted that these organized flow structures might lead to greater overall aerodynamic forces on a circular cylinder in cross-flow within the critical Reynolds number regime.
The wind generated circulation model describes the phenomenon based on the following physical assumptions: a) As the horizontal dimension of the flow domain is several orders of magnitude larger than vertical dimension, nearly horizontal flow is realistic. b) The time taken for circulation to develop may effect on the flow domain of the earth's rotation, the contribution of the Coriolis force. c) A flow domain of large dimension results in quite large Reynolds number and the Reynolds stresses are approximated by the turbulent mean velocity gradient. d) The circulation is forced by the shear stresses on the water surface exercised by the wind. Modification made to the depth average approximation of the convective terms and the bed shear stress terms by adopting a certain distribution of current over the depth and laboratory measurements for the bed shear expression. Modification circulation patterns, energy evolution and surface profile gave the significant differences comparing with the classical model results. The modified model results in higher free surface gradients balancing both the free surface shear and the bed shear and consequently to higher surface profiles along the coast.
Kim, Do-Hyoung;Hong, Seon-Ok;Lee, Dae-Geun;Lee, Young-Gon;Kim, Baek-Jo
Atmosphere
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v.26
no.3
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pp.423-433
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2016
In this study, performance of a computational fluid dynamics (CFD) model is assessed from analysis on air flow pattern which is observed in the artificial street canyon. Field observations focusing on flows were conducted at an artificial street canyon in Magok region. For the observation of three-dimensional airflow structures, twelve three-dimensional wind anemometers (hereafter, CSAT3) were installed inside the street canyon. The street canyon was composed of two rectangular buildings with 35-m length, 4-m width, and 7-m height. The street width (distance between the buildings) is 7 m, making the street aspect ratio (defined by the ratio of building height to street width) of 1. For the observation of above-building wind, a CSAT3 was installed above the northwest-side building. Southwesterly, westerly and northwesterly were dominant in the street canyon during the observations. Because wind direction is parallel to the street canyon in the southwesterly case, westerly and northwesterly were selected as inflow directions in numerical simulations using a computational fluid dynamics model developed through the collaborative research project between National Institute of Meteorological Sciences and Seoul National University (CFD_NIMR_SNU). The observations showed that a well-structured vortex flow (skimming flow) and an evidence of a small eddy at the corner of the downwind building and ground appeared. The CFD_NIMR_SNU reproduced both the observed flow patterns reasonably well, although wind speeds inside the street canyon were underestimated.
Journal of the Korean Society of Surveying, Geodesy, Photogrammetry and Cartography
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v.37
no.6
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pp.417-426
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2019
Conventional visualization of PM (Particulate Matter)10 flows applies superimposition of concentration distribution maps and wind field maps. This method is efficient for small scale maps where only macro flow trends are of interest. However, in the case of urban areas, local flows are difficult to model at micro level using wind fields, and therefore different methods of flow extraction is deemed necessary. In this study, flow information is extracted and visualized directly from the PM10 density data by using the gravity model. This method has the advantage that additional information such as wind field is not necessary for estimating the intensity and direction of PM10 flow. The extracted spatio-temporal flow patterns of PM10 are analyzed with relation to traffic information.
This paper presents some of the results of a project whose aim has been to produce a full simulation model which would determine the efficacy of pesticides for use by both farmers and the bio-chemical industry. The work presented here describes how crop architecture can be mathematically modelled and how the mechanics of pesticide droplet capture can be simulated so that if a wind assisted droplet-trajectory model is assumed then droplet deposition patterns on crop surfaces can be predicted. This achievement, when combined with biological response models, will then enable the efficacy of pesticide use to be predicted.
The effects of meteorological and reclaiming conditions on the reduction of suspended particles are investigated using a computational fluid dynamics (CFD) model with the k-$\varepsilon$ turbulence closure scheme based on the renormalization group (RNG) theory. Twelve numerical experiments with different meteorological and reclaiming conditions are performed. For identifying the meteorological characteristics of the target area and providing the inflow conditions of the CFD model, the observed data from the automatic weather station (AWS) near the target area is analyzed. Complicated flow patterns such as flow distortion, horse-shoe vortex, recirculation zone, and channeling flow appeared due to the topography and buildings in the domain. Specially, the flow characteristics around the reclamation area are affected by the reclaiming height, reclaiming size and windbreak height. Reclaiming height affected the wind speed above the reclaiming area. Windbreak induces more complicated flow patterns around the reclaiming area as well as within the reclaiming area. In front of the windbreak, flow is distorted as it impinges on the windbreak. As a result, upward flow is generated there. Behind the windbreak, a secondary circulation, so called, a recirculation zone is generated and flow is reattached at the end of the recirculation zone (reattachment point). At the lower part of the recirculation zone, there is a reverse flow toward the windbreak. Flow passing to the reattachment point starts to be recovered. Total amounts of suspended particles are calculated using the frictional and threshold frictional velocities, erosion potential function, and the number of surface disturbance. In the case of a 10 m-reclaiming and northerly wind, the amount of suspended particles is largest. In the presence of 5 m windbreak, the friction velocity above the reclaiming area is largely reduced. As a result, the total amount of the suspended particles largely decreases, compared to the case with the same reclaiming and meteorological conditions except for the windbreak The calculated suspended particle amounts are used as the emission rate of the dispersion model simulations and the dispersion characteristics of the suspended particles are analyzed.
Effects of buildings and topography on observation environment of surface wind in central regions of urban areas are investigated using a computational fluid dynamics (CFD) model. In order to reflect the characteristics of buildings and topography in urban areas, geographic information system (GIS) data are used to construct surface boundary input data. For each observation station, 16 cases with different inflow directions are considered to evaluate effects of buildings and topography on wind speed and direction around the observation station. The results show that flow patterns are very complicated due to the buildings and topography. The simulated wind speed and direction at the location of each observation station are compared with those of inflow. As a whole, wind speed at observation stations decreases due to the drag effect of buildings. The decrease rate of wind speed is strongly related with total volume of buildings which are located in the upwind direction. It is concluded that the CFD model is a very useful tool to evaluate location of observation station suitability. And it is expected to help produce wind observation data that represent local scale excluding the effects of buildings and topography in urban areas.
The characteristics of flow and pollutant dispersion for fire scenarios in an urban area are numerically investigated. A computational fluid dynamics (CFD) model coupled to a mesoscale weather research and forecasting (WRF) model is used in this study. In order to more accurately represent the effect of topography and buildings, the geographic information system (GIS) data is used as an input data of the CFD model. Considering prevailing wind, firing time, and firing points, four fire scenarios are setup in April 2008 when fire events occurred most frequently in recent five years. It is shown that the building configuration mainly determines wind speed and direction in the urban area. The pollutant dispersion patterns are different for each fire scenario, because of the influence of the detailed flow. The pollutant concentration is high in the horse-shoe vortex and recirculation zones (caused by buildings) close to the fire point. It thus means that the potential damage areas are different for each fire scenario due to the different flow and dispersion patterns. These results suggest that the accurate understanding of the urban flow is important to assess the effect of the pollutant dispersion caused by fire in an urban area. The present study also demonstrates that CFD model can be useful for the assessment of urban environment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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