Vortex-induced vibration (VIV) is a significant concern when designing slender structures with square cross sections. VIV strongly depends on structural dynamics and flow states, which depend on the conditions of the approaching flow and shape of a structure. Therefore, the effects of the angle of attack on the coupling effects of VIV for a square cylinder are expected to be significant in practice. In this study, the aerodynamic forces for a fixed and elastically mounted square cylinder were measured using wind pressure tests. Aerodynamic forces on the stationary cylinder are firstly discussed by comparisons of variation of statistical aerodynamic force and wind pressure coefficient with wind angle of attack. The coupling effect between the aerodynamic forces and the motion of the oscillating square cylinder by VIV is subsequently investigated in detail at typical wind angels of attack with occurrence of three typical flow regimes, i.e., leading-edge separation, separation bubble (reattachment), and attached flow. The coupling effect are illustrated by discussing the onset of VIV, characteristics of aerodynamic forces during VIV, and interaction between motion and aerodynamic forces. The results demonstrate that flow states can be classified based on final separation points or the occurrence of reattachment. These states significantly influence coupling effects of the oscillating cylinder. Vibration enhances vortex shedding, which creates strong fluctuations in aerodynamic forces. However, differences in the lock-in range, aerodynamic force, and interaction process for angles of attack smaller and larger than the critical angle of attack revealed noteworthy characteristics in the VIV of a square cylinder.
Kim, Yang-Hann;Park, Joo-Bae;Hong, Sup;Choi, Yoon-Rak
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.05a
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pp.478-483
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2001
We experimentally attempted to understand the vibration characteristics of a flexible pipe excited by vortex shedding. This has been extensively studied in the past decades (For example, see [2-9]). However, there are still areas that need more study. One of them is to study the relation between spatial characteristics of a flow induced vibrating pipe, such as its length, the distribution of wave number, and frequency responses. A non-linear mechanism between the responses of in-line and cross-flow directions is also an area of interests, if the pipe is relatively long so that structural modal density is reasonably high. In order to investigate such areas, two kinds of instrumented pipe were designed. The instrumented pipes, of which the lengths are equally 6m, are wound with rubber and silicon tape in different ways, having different vortex shedding conditions. One has uniform cross-section of diameter of 26. 7mm, and the other has equally spaced by 4 sub-sections, which are composed of different diameters of 75.9, 61.1, 45.6 and 26.7mm. Both pipes are towed in a water tank (200m ${\times}$ 16m ${\times}$ 7m) so that they experienced different vortex shedding excitations. The towing pipe experiments exhibit several valuable features. One of them is that the natural frequencies and their corresponding strain mode shapes dominate the strain response of the uniform pipe. However, for those of non-uniform pipe, the responses are more likely local and many modes participate in it.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.28
no.7
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pp.850-856
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2004
When a shock wave arrives at the open end of a tube, an impulsive wave is discharged from the tube exit and causes serious noise and vibration problems. In the current study, the effect of the cross-sectional area of a circular tube on the impulsive wave is investigated using computational methods. Marten-Yee's TVD scheme was employed to solve axisymmetric, unsteady, compressible Euler equations. With a change in the cross-sectional area of the tube, the Mach number of an incident shock wave is varied between 1.01 and 1.50. The results obtained show that the magnitude of the impulsive wave strongly depends upon the Mach number of the incident shock wave and the cross-sectional area of the tube. It is also found that for a given cross-sectional area of the tube, the impulse wave has strong directivity to the tube axis.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.16
no.3
s.108
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pp.233-239
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2006
The effect of the joint condition of automotive muffler shell and baffle on radiated noise from muffler shell Is studied. Shell vibration characteristics, especially shift In natural frequency and change in of response amplitude, was identified from finite element analysis and modal tests for various joint conditions between shell and baffle. When there is heat expansion and inner pressure from the exhaust 9as in the muffler with elliptical cross section, the shell expands out, and construct gap with baffles. This gap causes more degrees of freedom of shell vibration and natural frequency shift. By welding the muffler shell to the baffles or using a dual shell muffler, the radiated noise problem could be mitigated supplying more a rigid joint and damping, respectively.
Park, Nam-Gyu;Park, Joon-Kyoo;Suh, Jung-Min;Kim, Kyu-Tae;Jeon, Kyeong-Lak
Nuclear Engineering and Technology
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v.41
no.3
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pp.347-354
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2009
Welding is required for a connection between two different components in the nuclear fuel of a pressurized water reactor. This work relies on a mechanical experiment and analytic results to investigate the structural integrity of nuclear fuel in a situation where some components are not welded to each other. A series of lateral vibration tests are performed in a test facility, and the test structures are examined in terms of dynamic behavior. In the tests, the displacement signal at every grid structure that sustains fuel rods is measured and processed to identify the dynamic properties. The fluid-elastic stability of the structure is also analyzed to evaluate susceptibility to a cross flow with an assumed conservative cross flow distribution. The test and analysis results confirm that the structural integrity can be maintained even in the absence of some welding connections.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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1995.04a
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pp.196-201
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1995
The broadband and discrete sources of sound in small cooling fans of propeller type and centrifugal type were investigated to understand the turbulent vortex structures from many bladed fans using ANSI test plenum for small air-moving devices (AMDs). The noise measurement method uses the plenum as a test apparatus to determine the acoustic source spectral density function at each operating conditions similar to real engineering applications based on acoustic similarity laws. The characteristics of fans including the head rise vs. volumetric flow rate performance were measured using a performance test facility. The sound power spectrum is decomposed into two non-dimensional functions: an acoustic source spectral distribution function F(St,.phi.) and an acoustic system response function G(He,.phi.) where St, He, and .phi. are the Strouhal number, the Helmholtz number, and the volumetric flow rate coefficient, respectively. The autospectra of radiated noise measurements for the fan operating at several volumetric flow rates,.phi., are analyzed using acoustical similarity. The rotating stall in the small propeller fan with a bell-mouth guided is mainly due to a leading edge separation. It creates a blockage in the passage and the reduction in the flow rate. The sound power levels with respect to the rotational speeds were measured to reveal the mechanisms of stall and/or surge for different loading conditions and geometries, for example, fans installed with a impinging plate. Lee and Meecham (1993) studied the effect of the large-scale motions like impinging normally on a flat plate using Large-Eddy Simulation(LES) and Lighthill's analogy.[ASME Winter Annual Meeting 1993, 93-WA/NCA-22]. The dipole and quadrupole sources in the fans tested are shown closely related to the vortex structures involved using cross-correlations of the hot-wire and microphone signals.
The paper is concerned with the numerical study of the cross-wind response of the 295 m-tall six-flue industrial chimney, located in the power station of Belchatow, Poland. The response of the chimney due to turbulent wind flow is caused by the lateral turbulence component and vortex excitation with taking into account motion-induced wind forces. The cross-wind response has been estimated by means of the random vibration approach. Three power spectral density functions suggested by Kaimal, Tieleman and Solari for the evaluation of the lateral turbulence component response are taken into account. The vortex excitation response has been calculated by means of the Vickery and Basu's model including some complements. Motion-induced wind forces acting on a vibrating chimney have been modeled as a nonlinear aerodynamic damping force. The influence of three components mentioned above on the total cross-wind response of the chimney has been investigated. Moreover, the influence of damping ratios, evaluated by Multi-mode Random Decrement Technique, and number of mode shapes of the chimney have been examined. Computer programmes have been developed to obtain responses of the chimney. The numerical results and their comparison are presented.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.6
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pp.692-710
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2018
The Three-dimensional (3-D) dynamical behaviors of a fluid-conveying pipe subjected to vortex-induced vibration are investigated with different internal flow velocity ${\nu}$. The values of the internal flow velocity are considered in both subcritical and supercritical regimes. During the study, the 3-D nonlinear equations are discretized by the Galerkin method and solved by a fourth-order Runge-Kutta method. The results indicate that for a constant internal flow velocity ${\nu}$ in the subcritical regime, the peak Cross-flow (CF) amplitude increases firstly and then decrease accompanied by amplitude jumps with the increase of the external reduced velocity. While two response bands are observed in the In-line (IL) direction. For the dynamics in the lock-in condition, 3-D periodic, quasi-periodic and chaotic vibrations are observed. A variety of CF and IL responses can be detected for different modes with the increase of ${\nu}$. For the cases studied in the supercritical regime, the dynamics shows a great diversity with that in the subcritical regime. Various dynamical responses, which include 3-D periodic, quasi-periodic as well as chaotic motions, are found while both CF and IL responses are coupled while ${\nu}$ is beyond the critical value. Besides, the responses corresponding to different couples of ${\mu}_1$ and ${\mu}_2$ are obviously distinct from each other.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.1
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pp.200-214
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1993
This paper presents the results of fluidelastic instability analysis performed for the U-tube bundle of a Westinghouse model 51 steam generator, one of the recirculating types designed at an early stage, in which the principal region of external cross-flow is associated with the U-bend portion of tube. The prerequisites for this analysis are detailed informations of the secondary side flow conditions in the steam generator and the free vibration behaviours of the U-tubes. In this study, the three-dimensional two-phase flow field in the steam generator has been calculated employing the ATHOS3 steam generator two-phase flow code and the ANSYS engineering analysis code has been used to calculate the free vibration responses of specific U tubes under consideration. The assessment of the potential instability for the suspect U-tubes, which is the final analysis process of the present work, has been accomplished by combining the secondary side velocity and density distributions obtained from the ATHOS3 prediction with the relative modal displacement and natural frequency data calculated using the ANSYS code. The damping of tubes in two-phase flow has been deduced from the existing experimental data by taking into account the secondary side void fraction effect. In operation of the steam generator, the tube support conditions at the tube-to-tube support plate intersections due to either tube denting degradation or deposition of tube support plate corrosion products or ingression of dregs. Thus, various hypothetical cases regarding the tube support conditions at the tube-to-tube support plate intersections have been considered to investigate the clamped support effects on the forced vibration response of the tube. Also, the effect of anti-vibration bars support in the curved portion of tube has been examined.
Chen, Cong;Dai, Bingyu;Wieczorek, Niccolo;Unglaub, Julian;Thiele, Klaus
Wind and Structures
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v.35
no.4
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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.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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