본 연구의 목적은 교량 거더 단면의 공기역학적 특성을 나타내는 기본 자료인 공기력계수와 플러터계수가 동적응답과 어떠한 상관관계를 가지는지를 규명하는데 있다. 이를 위해 세 단계의 단면모형실험이 수행되었다. 첫 번째 단계에서는 총 7개의 거더 단면 즉, 6개의 플레이트거더 단면과 1개의 박스거더 단면이 고려되었으며 거더 단면의 기하학적 형상, 영각, 바람의 방향 그리고 기류조건이 공기력계수인 항력계수, 양력계수 그리고 모멘트계수에 미치는 영향을 정적 단면모형실험을 통해 살펴보았다. 두 번째 단계에서는 동적실험을 통해 각 단면의 공기력계수와 동적응답의 상관성을 검증하였다. 마지막으로 2자유도하의 동적 단면모형실험을 통해 세 개의 거더 단면의 플러터계수를 산출하고 이를 동적실험결과와 비교하였다. 주어진 단면형상에 대한 비정상 공기력에 의해 변화되는 시스템의 감쇠와 강성을 가장 잘 반영하는 플러터계수는 초기변위-자유진동시스템을 이용하여 추출하였다. 이를 위해 등류조건에서 풍속별로 교량단면의 수직 및 비틀림 초기변위의 시간에 따른 진폭의 감쇠를 측정하였다. 본 연구에서 제시한 교량단면의 공기력계수와 플러터계수는 공탄석해석 및 버펫팅해석을 위한 기본 자료로 유용하게 쓰일 것으로 보인다.
This paper presents a study on amplitude-dependent self-excited aerodynamic forces of a 5:1 rectangular cylinder through free vibration wind tunnel test. The sectional model was spring-supported in a single degree of freedom (SDOF) in torsion, and it is found that the amplitude of the free vibration cylinder model was not divergent in the post-flutter stage and was instead of various stable amplitudes varying with the wind speed. The amplitude-dependent aerodynamic damping is determined using Hilbert Transform of response time histories at different wind speeds in a smooth flow. An approach is proposed to extract aerodynamic derivatives as nonlinear functions of the amplitude of torsional motion at various reduced wind speeds. The results show that the magnitude of A2*, which is related to the negative aerodynamic damping, increases with increasing wind speed but decreases with vibration amplitude, and the magnitude of A3* also increases with increasing wind speed but keeps stable with the changing amplitude. The amplitude-dependent aerodynamic derivatives derived from the tests can also be used to estimate the post-flutter response of 5:1 rectangular cylinders with different dynamic parameters via traditional flutter analysis.
Papinutti, Mitja;Cetina, Matjaz;Brank, Bostjan;Petersen, Oyvind W.;Oiseth, Ole
Wind and Structures
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제31권6호
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pp.561-573
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2020
Unsteady self-excited forces are commonly represented by parametric models such as rational functions. However, this requires complex multiparametric nonlinear fitting, which can be a challenging task that requires know-how. This paper explores the alternative nonparametric modeling of unsteady self-excited forces based on relations between flutter derivatives. By exploiting the properties of the transfer function of linear causal systems, we show that damping and stiffness aerodynamic derivatives are related by the Hilbert transform. This property is utilized to develop exact simplified expressions, where it is only necessary to consider the frequency dependency of either the aeroelastic damping or stiffness terms but not both simultaneously. This approach is useful if the experimental data on aerodynamic derivatives that are related to the damping are deemed more accurate than the data that are related to the stiffness or vice versa. The proposed numerical models are evaluated with numerical examples and with data from wind tunnel experiments. The presented method can evaluate any continuous fitted table of interpolation functions of various types, which are independently fitted to aeroelastic damping and stiffness terms. The results demonstrate that the proposed methodology performs well. The relations between the flutter derivatives can be used to enhance the understanding of experimental modeling of aerodynamic self-excited forces for bridge decks.
This paper presents a method to extract flutter derivatives of bridge decks based on a combination of the computational fluid dynamics (CFD), system simulations and system identifications. The incompressible solver adopts an Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) formulation with the finite volume discretization in space. The imposed sectional motion in heaving or pitching relies on exponential time series as input, with aerodynamic forces time histories acting on the section evaluated as output. System identifications are carried out to fit coefficients of the inputs and outputs of ARMA models, as to establish discrete-time aerodynamic models. System simulations of the established models are then performed as to obtain the lift and moment exerting on the sections to a sinusoidal displacement. It follows that flutter derivatives are identified. The present approaches are applied to a hexagon thin plate and a real bridge deck. The results are compared to the Theodorsen closed-form solution and those from wind tunnel tests. Satisfactory agreements are observed.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제16권3호
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pp.425-436
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2015
This paper presents the procedures used for estimating the stability and control derivatives of a general aviation canard aircraft from flight data. The maximum likelihood estimation method which accounts for both process and measurement noise was used for the flight data analysis of a four seat canard aircraft, the Firefly. Without relying on the parameter estimation method, several aerodynamic derivatives were obtained by analyzing the steady state flight data. A wind tunnel test, a flight test of a 1/4 scaled remotely controlled model aircraft, and the prediction of aerodynamic coefficients using the USAF Stability and Control Digital Data Compendium (DATCOM), Advanced Aircraft Analysis (AAA), and Computer Fluid Dynamics (CFD) were performed during the development phase of the Firefly and the results were compared with flight determined derivatives of a full scaled flight prototype. A correlation between the results from each method could be used for the design of the canard aircraft as well as for building the aerodynamic database.
A new type of bridge deck section consisting of four-box decks, two side decks for vehicular traffic lanes and two middle decks for railway traffic, has been experimentally investigated for determining its aerodynamic properties. The eight flutter derivatives were determined by the Iterative Least Squares (ILS) method for this new type of four-box deck model, with two windshields of 30 mm and 50 mm height respectively. Wind tunnel experiments were performed for angles of attack α = ±6°, ±4°, ±2° and 0° and Re numbers of 4.85×105 to 6.06×105 and it was found that the four-box deck with the 50 mm windshields had a better aerodynamic performance. Also, the results showed that the installation of the windshields reduced the values of the lift coefficient CL for the negative angles attack in the range of -6° to 0°, but the drag coefficient CD increased in the positive angle of attack range. However, galloping instability was not encountered for the tested reduced wind speeds, of up to 9.8. The aerodynamic force coefficients and the flutter derivatives for the four-box deck model were consistent with the results reported for the Messina triple-box bridge deck, but were different from those reported for the twin-box bridge decks.
The modified maximum likelihood estimation method is used to estimate the nondimensional aerodynamic derivatives of a single turbo-prop aircraft at a specified flight condition for the best deduction of the dynamic characteristics. In wind axes the six degree of freedom equations are algebraically linearized so that the linear state equation contains aerodynamic derivatives in a state-space form and is used in the maximum likelihood method. The simulated data added with the measurement noise is used as a flight test data which is necessary to the estimation of nondimensional aerodynamic derivatives. It is obtained by implementing the 6-DOF nonlinear flight simulation. In the flight simulation, the effects of several control input types, control deflection amplitudes, and the turbulence intensities on the statistical convergence criteria are also examined and quantitative analysis of the results is discussed.
A non-conservative robust Kalman filter (NCRKF) is applied to flight data to identify the aerodynamic derivatives of an unmanned autonomous vehicle (UAV). The NCRKF is formulated using UAV lateral motion data and then compared with results from the conventional Kalman filter (KF) and the recursive least square (RLS) method. A superior performance for the NCRKF is demonstrated by simulation and real flight data. The NCRKF is especially effective in large uncertainties in vehicle modeling and in measuring flight data. Thus, it is expected to be useful in missile and aircraft parameter identification.
This study presents the vibration excitation system to extract the aerodynamic stability derivatives which is generally called as flutter derivatives in civil engineering. The system consists of the excitation part to give a forced harmonic motion to the model and the sensing part to measure the aerodynamic forces as well as inertia forces acting on a bridge model. A data processing algorithm for extracting the flutter derivatives from the measured forces is also presented. From the wind tunnel tests, verification of present system was done by comparing the measured and analytical results for rectangular shaped model. The effects of excitation frequencies and amplitudes on flutter derivatives are discussed. Five kinds of actual bridge model were presented from the wind tunnel.
Aerodynamic torque of wind turbine is highly nonlinear due to the nonlinear interactions between wind and blade. The aerodynamic nonlinearity is represented by nonlinear power and torque coefficients which are functions of wind speed, rotational speed of rotor, and pitch angle of blade. It is essential from the viewpoint of understanding and analysis of dynamic characteristics for wind turbine to linearize the aerodynamic torque and define aerodynamic nonlinear parameters as derivatives of aerodynamic torque with respect to the three parameters. In this paper, a linearization method of the aerodynamic torque from power coefficient is presented through differentiating it by the three parameters. And steady-state values of three aerodynamic nonlinear parameters according to wind speed are obtained and their nonlinear characteristics are investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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