이 연구에서는 풍동실험을 이용하여 선박 운송용 컨테이너의 풍력특성을 조사하고, 그 결과를 토대로 컨테이너의 크기 및 중량에 따른 피해발생 풍속을 평가하고자 한다. 실험결과, 컨테이너 폭의 직각방향에 작용하는 평균 풍력계수는 12ft, 20ft, 40ft, 40ft high cube 순으로 증가하는 것으로 나타났으며, 이와 달리 깊이의 직각방향에 작용하는 평균 풍력계수는 40ft high cube, 40ft, 20ft, 12ft 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 이유는 컨테이너의 풍상면(windward surface)의 모서리에서 박리된 난류의 전단층(shear layer)이 다시 컨테이너의 측면에 재부착(reattachment)되면서 깊이의 직각 방향에 작용하는 평균 풍력계수가 줄어든 것으로 판단된다. 전 풍향에서 컨테이너의 중량에 따른 피해발생 풍속을 평가한 결과, 컨테이너의 전도보다는 활동이 낮은 풍속에서 발생할 수 있음을 알 수 있다. 이때 가장 불리한 컨테이너는 40ft high cube이며, 활동발생 및 전도발생이 일어날 수 있는 풍속은 각각 20.4 m/s와 26.8 m/s으로 평가되었다. 또한 이 연구에서는 컨테이너의 중량과 피해발생 풍속과의 상관을 토대로 컨테이너의 중량에 따른 활동발생 및 전도발생 풍속을 평가할 수 있는 평가식을 제안하였다. 본 연구 결과는 컨테이너의 고박 설치하중평가 및 적재방법 등에 관한 가이드라인 정립에 있어 유용하게 활용될 것으로 판단된다.
Wind-resistant design of existing cooling tower structures overlooks the impacts of rainfall. However, rainstorm will influence aerodynamic force on the tower surface directly. Under this circumstance, the structural response of the super-large cooling tower (SLCT) will become more complicated, and then the stability and safety of SLCT will receive significant impact. In this paper, surrounding wind fields of the world highest (210 m) cooling tower in Northwest China underthree typical wind velocities were simulated based on the wind-rain two-way coupling algorithm. Next, wind-rain coupling synchronous iteration calculations were conducted under 9 different wind speed-rainfall intensity combinations by adding the discrete phase model (DPM). On this basis, the influencing laws of different wind speed-rainfall intensity combinations on wind-driving rain, adhesive force of rain drops and rain pressure coefficients were discussed. The acting mechanisms of speed line, turbulence energy strength as well as running speed and trajectory of rain drops on structural surface in the wind-rain coupling field were disclosed. Moreover, the fitting formula of wind-rain coupling equivalent pressure coefficient of the cooling tower was proposed. A systematic contrast analysis on its 3D distribution pattern was carried out. Finally, coupling model of SLCT under different working conditions was constructed by combining the finite element method. Structural response, buckling stability and local stability of SLCT under different wind velocities and wind speed-rainfall intensity combinations were compared and analyzed. Major research conclusions can provide references to determine loads of similar SLCT accurately under extremely complicated working conditions.
The shape evolution of the interface void of copper metallization for intergrated circuits under electromigration stress is modeled. A 2-dimensional finite-difference numerical method is employed for computing time evolution of the void shape driven by surface diffusion, and the electrostatic problem is solved by boundary element method. When the diffusion coefficient is isotropic, the numerical results agree well with the known case of wedge-shape void evolution. The numerical results for the anisotropic diffusion coefficient show that the initially circular void evolves to become a fatal slitlike shape when the electron wind force is large, while the shape becomes non-fatal and circular as the electron wind force decreases. The results indicate that the open circuit failure caused by slit-like void shape is far less probable to be observed for copper metallization under a normal electromigration stress condition.
Multivariate fluctuating pressures acting on a 2:1 rectangular section (2-D) with dimensions of 9 cm by 4.5 cm has been studied using wind tunnel experiments under uniform and smooth flow condition for various angles of wind incidence. Based on the variation of mean pressure coefficient distributions along the circumference of the rectangular section with angle of wind incidence, and with the aid of skin friction coefficients, three distinct flow regimes with two transition regimes have been identified. Further, variations of mean drag and lift coefficients, Strouhal number with angles of wind incidence have been studied. The applicability of Universal Strouhal number based on vortex street similarity of wakes in bluff bodies to the 2:1 rectangular section has been studied for different angles of wind incidence. The spatio-temporal correlation features of the measured pressure data have been studied using Proper Orthogonal Decomposition (POD) technique. The contribution of individual POD modes to the aerodynamic force components, viz, drag and lift, have been studied. It has been demonstrated that individual POD modes can be associated to different physical phenomena, which contribute to the overall aerodynamic forces.
Chen, Cong;Dai, Bingyu;Wieczorek, Niccolo;Unglaub, Julian;Thiele, Klaus
Wind and Structures
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제35권4호
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pp.255-268
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2022
Light-weight or low-damped structures may encounter the unsteady galloping instability that occurs at low reduced wind speeds, where the classical quasi-steady assumption is invalid. Although this unsteady phenomenon has been widely studied for rectangular cross sections with one side perpendicular to the incidence flow, the effect of the mean wind angle of attack has not been paid enough attention yet. With four sectional models of different side ratios and geometric shapes, the presented research focuses on the effect of the wind angle of attack on unsteady galloping instability. In static tests, comparatively strong vortex shedding force was noticed in the middle of the range of flow incidence where the lift coefficient shows a negative slope. In aeroelastic tests with a low Scruton number, the typical unsteady galloping, which is due to an interaction with vortex-induced vibration and results in unrestricted oscillation initiating at the Kármán vortex resonance wind speed, was observed for the wind angles of attack that characterize relatively strong vortex shedding force. In contrast, for the wind angles of attack with relatively weak shedding force, an "atypical" unsteady galloping was found to occur at a reduced wind speed clearly higher than the Kármán-vortex resonance one. These observations are valid for all four wind tunnel models. One of the wind tunnel models (with a bridge deck cross section) was also tested in a turbulent flow with an intensity about 9%, showing only the atypical unsteady galloping. However, the wind angle of attack with the comparatively strong vortex shedding force remains the most unfavorable one with respect to the instability threshold in low Scruton number conditions.
For the past three decades a significant amount of research has been conducted on bridge flutter. Wind tunnel tests for a 2000 m class twin-box suspension bridge have revealed that a twin-box deck carrying 4 m tall 50% open area ratio wind screens at the deck edges achieved higher critical wind speeds for onset of flutter than a similar deck without wind screens. A result at odds with the well-known behavior for the mono-box deck. The wind tunnel tests also revealed that the critical flutter wind speed increased if the bridge deck assumed a nose-up twist relative to horizontal when exposed to high wind speeds - a phenomenon termed the "nose-up" effect. Static wind tunnel tests of this twin-box cross section revealed a positive moment coefficient at 0° angle of attack as well as a positive moment slope, ensuring that the elastically supported deck would always meet the mean wind flow at ever increasing mean angles of attack for increasing wind speeds. The aerodynamic action of the wind screens on the twin-box bridge girder is believed to create the observed nose-up aerodynamic moment at 0° angle of attack. The present paper reviews the findings of the wind tunnel tests with a view to gain physical insight into the "nose-up" effect and to establish a theoretical model based on numerical simulations allowing flutter predictions for the twin-box bridge girder.
This paper presents a 1:25 multi-freedom aero-elastic model for a high lighting pole at the Zhoushan stadium. To validate the similarity characteristics of the model, a free vibration test was performed before the formal test. Beat phenomenon was found and eliminated by synthesis of vibration in the X and Y directions, and the damping ratio of the model was identified by the free decay method. The dynamic characteristics of the model were examined and compared with the real structure; the similarity results were favorable. From the test results, the major along-wind dynamic response was the first vibration component. The along-wind wind vibration coefficient was calculated by the China code and Eurocode. When the peak factor equaled 3.5, the coefficient calculated by the China code was close to the experimental result while Eurocode had a slight overestimation of the coefficient. The wind vibration coefficient during typhoon flow was analyzed, and a magnification factor was suggested in typhoon-prone areas. By analyzing the power spectrum of the dynamic cross-wind base shear force, it was found that a second-order vortex-excited resonance existed. The cross-wind response in the test was smaller than Eurocode estimation. The aerodynamic damping ratio was calculated by random decrement technique and the results showed that aerodynamic damping ratios were mostly positive at the design wind speed, which means that the wind-induced galloping phenomenon is predicted not to occur at design wind speeds.
Compared with traditional transmission towers, T-shaped angle towers have long cross-arms and are specially used for ultrahigh-voltage direct-current (UHVDC) transmission. Nevertheless, the wind loads of T-shaped towers have not received much attention in previous studies. Consequently, a series of wind tunnel tests on the T-shaped towers featuring cross-arms of varying lengths were conducted using the high-frequency force balance (HFFB) technique. The test results reveal that the T-shaped tower's drag coefficients nearly remain constant at different testing velocities, demonstrating that Reynolds number effects are negligible in the test range of 1.26 × 104-2.30 × 104. The maximum values of the longitudinal base shear and torsion of the T-shaped tower are reached at 15° and 25° of wind incidence, respectively. In the yaw angle, the crosswind coefficients of the tower body are quite small, whereas those of the cross-arms are significant, and as a result, the assumption in some load codes (such as ASCE 74-2020, IEC 60826-2017 and EN 50341-1:2012) that the resultant force direction is the same as the wind direction may be inappropriate for the cross-arm situation. The fitting formulas for the wind load-distribution factors of the tower body and cross-arms are developed, respectively, which would greatly facilitate the determination of the wind loads on T-shaped angle towers.
The present study is performed to find the effect of corner recession on a square plan-shaped tall building. A series of numerical simulations have been carried out to find the two orthogonal wind force coefficients on various model configurations using Computational Fluid Dynamics (CFD). Numerical analyses are performed by using ANSYS-CFX (k-ℇ turbulence model) considering the length scale of 1:300. The study is performed for 0° to 360° wind angle of attack. The CFD data thus generated is utilised to fit parametric equations to predict alongwind and crosswind force coefficients, Cfx and Cfy. The precision of the parametric equations is validated by employing a wind tunnel study for the 40% corner recession model, and an excellent match is observed. Upon satisfactory validation, the parametric equations are further used to carry out multiobjective optimization considering two orthogonal force coefficients. Pareto optimal design results are presented to propose suitable percentages of corner recession for the study building. The optimization is based on reducing the alongwind and crosswind forces simultaneously to enhance the aerodynamic performance of the building.
Aerodynamic force coefficients are generally obtained from traditional wind tunnel tests or computational fluid dynamics (CFD). Unfortunately, the techniques mentioned above can sometimes be cumbersome because of the cost involved, such as the computational cost and the use of heavy equipment, to name only two examples. This study proposed to build a deep neural network model to predict the aerodynamic force coefficients based on data collected from CFD simulations to overcome these drawbacks. Therefore, a series of CFD simulations were conducted using different geometric parameters to obtain the aerodynamic force coefficients, validated with wind tunnel tests. The results obtained from CFD simulations were used to create a dataset to train a multilayer perceptron artificial neural network (ANN) model. The models were obtained using three optimization algorithms: scaled conjugate gradient (SCG), Bayesian regularization (BR), and Levenberg-Marquardt algorithms (LM). Furthermore, the performance of each neural network was verified using two performance metrics, including the mean square error and the R-squared coefficient of determination. Finally, the ANN model proved to be highly accurate in predicting the force coefficients of similar bridge sections, thus circumventing the computational burden associated with CFD simulation and the cost of traditional wind tunnel tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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