The present paper is focused on the prediction of the acrosswind aeroelastic response of square tall buildings. In particular, a semi-analytical procedure is proposed based on the assumption that square tall buildings, for reduced velocities corresponding to operational conditions, do not experience vortex shedding resonance or galloping and fall in the range of positive aerodynamic damping. Under these conditions, aeroelastic wind tunnel tests can be unnecessary and the response can be correctly evaluated using wind tunnel tests on rigid models and analytical modeling of the aerodynamic damping. The proposed procedure consists of two phases. First, simultaneous measurements of the pressure time histories are carried out in the wind tunnel on rigid models, in order to obtain the aerodynamic forces. Then, aeroelastic forces are analytically evaluated and the structural response is computed through direct integration of the equations of motion considering the contribution of both the aerodynamic and aeroelastic forces. The procedure, which gives a conservative estimate of the aeroelastic response, has the advantage that aeroelastic tests are avoided, at least in the preliminary design phase.
Aeroelastic response and control of airfoil-flap system exposed to sonic-boom, blast and gust loads in an incompressible subsonic flowfield are addressed. Analytical analysis and pertinent numerical simulations of the aeroelastic response of 3-DOF airfoil featuring plunging-pitching-flapping coupled motion subjected to gust and explosive pressures in terms of important characteristic parameters specifying configuration envelope are presented. The comparisons of uncontrolled aeroelastic response with controlled one of the wing obtained by feedback control methodology are supplied, which is implemented through the flap torque to suppress the flutter instability and enhance the subcritical aeroelastic response to time-dependent excitations.
The current study investigates the dynamic effects in the tornado-structure response of an aeroelastic self-supported lattice transmission tower model tested under laboratory simulated tornado-like vortices. The aeroelastic model is designed for a geometric scale of 1:65 and tested under scaled down tornadoes in the Wind Engineering, Energy and Environment (WindEEE) Research Institute. The simulated tornadoes have a similar length scale of 1:65 compared to the full-scale. An extensive experimental parametric study is conducted by offsetting the stationary tornado center with respect to the aeroelastic model. Such aeroelastic testing of a transmission tower under laboratory tornadoes is not reported in the literature. A multiaxial load cell is mounted underneath the base plate to measure the base shear forces and overturning moments applied to the model in three perpendicular directions. A three-axis accelerometer is mounted at the level of the second cross-arm to measure response accelerations to evaluate the natural frequencies through a free-vibration test. Radial, tangential, and axial velocity components of the tornado wind field are measured using cobra probes. Sensitivity analyses are conducted to assess the variation of the structural dynamic response associated with the location of the tornado relative to the lattice transmission tower. Three different layouts representing the change in the orientation of the tower model relative to the components of the tornado-induced loads are considered. The structural responses of the aeroelastic model in terms of base shear forces, overturning moments, and lateral accelerations are measured. The results are utilized to understand the dynamic response of self-supported transmission towers to the tornado-induced loads.
In view of the importance of the wind-structure interaction for tall and slender structures, an aeroelastic model test of the 610m-high TV tower with a complex and unique structural configuration and appearance carried out successfully. The assembled aeroelastic model of the TV tower with complex shape and structure was designed and made to ensure the similarities of the major natural frequencies and the corresponding mode shapes. The simulation of the atmospheric boundary layer with higher turbulent intensity is presented. Since the displacement and acceleration responses at several measurement sections were directly measured in the wind tunnel test, a multi-mode approach was presented to indirectly estimate the displacement and acceleration responses at arbitrary structural floors based on the measured ones. It can be seen that it is remarkable for the displacement and acceleration responses of the TV tower in the two horizontal directions under wind loads and is small for the dynamic response of the torsional displacement and acceleration.
This paper concerns the active aeroelastic control of flapped wing systems exposed to blast and/or the sonic boom in an incompressible flow field. This is achieved via implementation of a robust estimation capability (sliding mode observer: SMO), and of the use of the deflected flap as to suppress the flutter instability or enhance the subcritical aeroelastic response to blast loads. To this end, a control methodology using LQG(Linear Quadratic Gaussian) in conjunction with SMO is implemented, and its performance toward suppressing flutter and reducing the vibrational level in the subcritical flight speed range is demonstrated. Moreover, its performances are compared to the ones provided via implementation of conventional LQG with Kalman filter.
This paper concerns the application and demonstration of sliding mode observer for aeroelastic system, which is robust to model uncertainty including mass and stiffness of the system and various disturbances. The performance of a sliding mode observer is compared with that of a conventional Kalman filter to demonstrate robustness and disturbance decoupling characteristics. Aeroelastic instability may occur when an elastic structure is moving even in subcritical flow speed region. Simulation results using sliding mode observer are presented to control aeroelastic response of flapped wing system due to various external excitations as well as model uncertainty and sinusoidal disturbances in subcritical incompressible flow region.
Azzi, Ziad;Elawady, Amal;Irwin, Peter;Chowdhury, Arindam Gan;Shdid, Caesar Abi
Wind and Structures
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제34권2호
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pp.231-257
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2022
Transmission lines systems are important components of the electrical power infrastructure. However, these systems are vulnerable to damage from high wind events such as hurricanes. This study presents the results from a 1:50 scale aeroelastic model of a multi-span transmission lines system subjected to simulated hurricane winds. The transmission lines system considered in this study consists of three lattice towers, four spans of conductors and two end-frames. The aeroelastic tests were conducted at the NSF NHERI Wall of Wind Experimental Facility (WOW EF) at the Florida International University (FIU). A horizontal distortion scaling technique was used in order to fit the entire model on the WOW turntable. The system was tested at various wind speeds ranging from 35 m/s to 78 m/s (equivalent full-scale speeds) for varying wind directions. A system identification (SID) technique was used to evaluate experimental-based along-wind aerodynamic damping coefficients and compare with their theoretical counterparts. Comparisons were done for two aeroelastic models: (i) a self-supported lattice tower, and (ii) a multi-span transmission lines system. A buffeting analysis was conducted to estimate the response of the conductors and compare it to measured experimental values. The responses of the single lattice tower and the multi-span transmission lines system were compared. The coupling effects seem to drastically change the aerodynamic damping of the system, compared to the single lattice tower case. The estimation of the drag forces on the conductors are in good agreement with their experimental counterparts. The incorporation of the change in turbulence intensity along the height of the towers appears to better estimate the response of the transmission tower, in comparison with previous methods which assumed constant turbulence intensity. Dynamic amplification factors and gust effect factors were computed, and comparisons were made with code specific values. The resonance contribution is shown to reach a maximum of 18% and 30% of the peak response of the stand-alone tower and entire system, respectively.
A novel three-degree-of-freedom (DOF) forced vibration system has been developed for identification of aeroelastic (self-excited) load parameters used in time-domain response analysis of wind-excited flexible structures. This system is capable of forcing sinusoidal motions on a section model of a structure that is used in wind tunnel aeroelastic studies along all three degrees of freedom - along-wind, cross-wind, and torsional - simultaneously or in any combination thereof. It utilizes three linear actuators to force vibrations at a consistent frequency but varying amplitudes between the three. This system was designed to identify all the parameters, namely, aeroelastic- damping and stiffness that appear in self-excited (motion-dependent) load formulation either in time-domain (rational functions) or frequency-domain (flutter derivatives). Relatively large displacements (at low frequencies) can be generated by the system, if required. Results from three experiments, airfoil, streamlined bridge deck and a bluff-shaped bridge deck, are presented to demonstrate the functionality and robustness of the system and its applicability to multiple cross-section types. The system will allow routine identification of aeroelastic parameters through wind tunnel tests that can be used to predict response of flexible structures in extreme and transient wind conditions.
In this study, aeroelastic response analyses have been conducted for a 3D wind turbine blade model. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics(CFD) and computational structural dynamics(CSD) has been developed in order to investigate detailed dynamic responsed of wind turbine blade. Vibration analyses of rotating wind-turbine blade have been conducted using the general nonlinear finite element program, SAMCEF (Ver.6.3). Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS)equations with spalart-allmaras turbulence model are solved for unsteady flow problems of the rotating turbine blade model. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3D turbine blade for fluid-structure interaction (FSI) problems. Detailed dynamic responses and instantaneous Mach contour on the blade surfaces considering flow-separation effects are presented to show the multi-physical phenomenon of the rotating wind-turbine blade model.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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