The safety of road vehicles on the ground in crosswind has been investigated for many years. One of the most important fundamentals in the safety analysis is aerodynamic characteristics of a vehicle in crosswind. The most common way to study the aerodynamic characteristics of a vehicle in crosswind is wind tunnel tests to measure the aerodynamic coefficients and/or pressure coefficients of the vehicle. Due to the complexity of wind tunnel test equipment and procedure, the features of flow field around the vehicle are seldom explored in a wind tunnel, particularly for the vehicle moving on the ground. As a complementary to wind tunnel tests, the numerical method using computational fluid dynamics (CFD) can be employed as an effective tool to explore the aerodynamic characteristics of as well as flow features around the vehicle. This study explores crosswind effects on a high-sided lorry on the ground with and without movement through CFD simulations together with wind tunnel tests. Firstly, the aerodynamic forces on a stationary lorry model are measured in a wind tunnel, and the results are compared with the previous measurement results. The CFD with unsteady RANS method is then employed to simulate wind flow around and wind pressures on the stationary lorry. The numerical aerodynamic forces are compared with the wind tunnel test results. Furthermore, the same CFD method is extended to investigate the moving vehicle on the ground in crosswind. The results show that the CFD results match with wind tunnel test results and the current way using aerodynamic coefficients from a stationary vehicle in crosswind is acceptable. The CFD simulation can provide more insights on flow field and pressure distribution which are difficult to be obtained by wind tunnel tests.
High-sided road vehicles are susceptible to a sharp-edged crosswind gust, which may cause vehicle accidents such as overturning, excessive sideslip, or exaggerated rotation. This paper thus investigates the dynamic behaviour and possible accidents of high-sided road vehicles entering a sharp-edged crosswind gust with road surface roughness and vehicle suspension included. The high-sided road vehicle is modelled as a combination of several rigid bodies connected by a series of springs and dampers in both vertical and lateral directions. The random roughness of road surface is generated from power spectral density functions for various road conditions. The empirical formulae derived from wind tunnel test results are employed to determine aerodynamic forces and moments acting on the vehicle. After the governing equations of motion are established, an extensive computation work is performed to examine the effects of road surface roughness and vehicle suspension on the dynamic behaviour and vehicle accidents. It is demonstrated that for the high-sided road vehicle and wind forces specified in the computation, the accident vehicle speed of the road vehicle running on the road of average condition is relatively smaller than that running on the road of very good condition for a given crosswind gust. The vehicle suspension system should be taken into consideration, and the accident vehicle speed becomes smaller if the vehicle suspension system has softer springs and lighter dampers.
This paper describes the flow analysis of the automobile with crosswind effects of $15^{\circ},\;30^{\circ}\;and\;45^{\circ}$ of yaw angle. The governing equations of the 3-D unsteady incompressible Navier-Stokes equations are solved by the iterative time marching scheme. The Chimera grid technique has been applied to efficiently simulate the flow around the side-view mirror. The A- and C-pillar vortex and other flow phenomena around the ground vehicle are evidently shown.
The aim of this paper is to research the change in the turbulent flow and the AOA occurred by $60^{\circ}$ crosswind to the direction of runway through the three-dimensional numerical analysis and to predict the take-off and landing flight stability. As a result, the maximum amplitude of AOA variation on runway reached $4.88^{\circ}$ within 7 second because of the wake formed by the constructions in the vicinity of the airport, and the overall effects appeared as an irregular aperiodic forms. Additionally, it was observed that the layout and shape of the buildings effected on the strength of turbulence directly, and the rapid flow generated between the buildings changed into stronger wake and eventually expected that the flow raises serious take-off and landing flight instability.
A three-dimensional aerodynamic model and a vehicle dynamics model are established to investigate the effect of noise barrier on the dynamic performance of a high-speed train running on an embankment in crosswind in this paper. Based on the developed model, flow structures around the train with and without noise barrier are compared. Effect of the noise barrier height on the train dynamic performance is studied. Then, comparisons between the dynamic performance indexes of the train running on the windward track and on the leeward track are made. The calculated results show that the noise barrier has significant effects on the structure of the flow field around the train in crosswind and thus on the dynamic performance of the high-speed train. The dynamic performance of the train on the windward track is better than that on the leeward track. In addition, various heights of the noise barrier will have different effects on the train dynamic performance. The dynamic performance indexes keep decreasing with the increase of the noise barrier height before the height reaches a certain value, while these indexes have an inverse trend when the height is above this value. These results suggest that optimization on the noise barrier height is possible and demonstrate that the designed noise barrier height of the existing China Railway High-speed line analysed in this article is reasonable from the view point of the flow field structure and train dynamic performance although the noise barrier is always designed based on the noise-related standard.
This paper describes the flow field analysis of an automobile with crosswind effects of 15°, 30° 45° and 60° of yaw angles. The governing equations of the 3-D incompressible Navier-Stokes equations are solved by the iterative time marching scheme. The Chimera grid technique has been applied to efficiently simulate the flow around the side-view mirror. The computated surface pressure coefficients have been compared with experimental results and a good agreement has been achieved. The A- and C-pillar vortex and other flow phenomena around the ground vehicle are evidently shown. The variation of aerodynamic coefficients of drag, lift, side force and moments with respect to yaw angle is systematically studied.
When railway vehicles run by towers of long span bridges, the railway vehicles might experience a sudden load-off and load-on phenomenon in crosswind conditions. To ensure the running safety of the railway vehicles and the running comfort of the passengers, some studies were carried out to investigate the impacts of sudden changes of aerodynamic loads on moving railway vehicles. In the present study, the aerodynamic coefficients which were measured in wind tunnel tests using a moving train model are converted into the aerodynamic coefficients in the actual scale. The three-component aerodynamic loads are calculated based on the aerodynamic coefficients with consideration of the vehicle movement. A three-dimensional railway vehicle model is set up using the multibody dynamic theory, and the aerodynamic loads are treated as the inputs of excitation varied with time for kinetic simulations of the railway vehicle. Thus the dynamic responses of the railway vehicle passing by the bridge tower can be obtained from the kinetic simulations in the time domain. The effects of the mean wind speeds and the rail track positions on the running performance of the railway vehicle are discussed. The three-component aerodynamic loads on the railway vehicle are found to experience significant sudden changes when the vehicle passes by the bridge tower. Correspondingly, such sudden changes of aerodynamic loads have a large impact on the dynamic performance of the running railway vehicle. The dynamic responses of the railway vehicle have great fluctuations and significant sudden changes, which is adverse to the running safety and comfort of the railway vehicle passing by the bridge tower in crosswind conditions.
To investigate the effects of "sudden change" of wind fluctuations on vehicle running performance, which is caused by the artificial discrete simulation of wind field, a three-dimensional vehicle model is set up with multi-body dynamics theory and the vehicle dynamic responses in crosswind conditions are obtained in time domain. Based on Hilbert Huang Transform, the effects of simulation separations on time-frequency characteristics of wind field are discussed. In addition, the probability density distribution of "sudden change" of wind fluctuations is displayed, addressing the effects of simulation separation, mean wind speed and vehicle speed on the "sudden change" of wind fluctuations. The "sudden change" of vehicle dynamic responses, which is due to the discontinuity of wind fluctuations on moving vehicle, is also analyzed. With Principal Component Analysis, the comprehensive evaluation of vehicle running performance in crosswind conditions at different simulation separations of wind field is investigated. The results demonstrate that the artificial discrete simulation of wind field often causes "sudden change" in the wind fluctuations and the corresponding vehicle dynamic responses are noticeably affected. It provides a theoretical foundation for the choice of a suitable simulation separation of wind field in engineering application.
본 논문은 측풍이 $40^{\circ}$일 때 이착륙 비행안정성의 예측을 위하여 활주로에 발생되는 유동현상과 받음각 변화량을 3차원 수치해석을 통하여 연구하였다. 3차원 수치해석결과 활주로 주변 시설물에서 발생된 후류로 인하여 활주로 상에서 발생되는 받음각 변화량의 최대 진폭은 $2^{\circ}$이고 그 지속 시간은 약 3초로 나타났으며 전체적으로 보면 불규칙적인 비주기적 성향으로 나타난다. 특히 건물의 배치와 형상이 활주로와 유도로에 발생되는 후류의 강도에 직접적인 영향을 미치고 시설물 사이를 통과한 빠른 흐름으로 인하여 더욱 강한 후류영역을 발생시켜 활주로 상에서 심각한 이착륙 불안정성을 발생시킬 것으로 예상된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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