To better understand the vortex-induced vibration (VIV) characteristics of a 5:1 rectangular cylinder, the distribution of aerodynamic force and the non-dimensional power spectral density (PSD) of fluctuating pressure on the side surface were studied in different VIV development stages, and their differences in the stationary state and vibration stages were analyzed. The spanwise and streamwise correlations of surface pressures were studied, and the flow field structure partitions on the side surface were defined based on the streamwise correlation analysis. The results show that the variation tendencies of mean and root mean square (RMS) pressure coefficients are similar in different VIV development stages. The RMS values during amplitude growth are larger than those at peak amplitude, and the smallest RMS values are observed in the stationary state. The spanwise correlation coefficients of aerodynamic lifts increase with increase of the peak amplitude. However, for the lock-in region, the maximum spanwise correlation coefficient for aerodynamic lifts occurs in the VIV rising stage rather than in the peak amplitude stage, probably due to the interaction of vortex shedding force (VSF) and self-excited force (SEF). The streamwise correlation results show that the demarcation point positions between the recirculation region and the main vortex region remain almost constant in different VIV development stages, and the reattachment points gradually move to the tailing edge with increasing amplitude. This study provides a reference to estimate the demarcation point and reattachment point positions through streamwise correlation and phase angle analysis from wind tunnel tests.
This study has focused on aerodynamics for a wind-resistance design about the single and tandem box girder sections to realize a super-long span bridge in the near future. Three-dimensional static analysis of flows around the fundamental single and tandem box girder sections with fairing is carried out by means of the IBTD/FS finite element technique with LES turbulence model. As the results of the analysis, computations have verified aerodynamic characteristics of both sections by the histories of aerodynamic forces, the separation and reattachment flow patterns and the surface pressure distributions. The relationship between the section shapes and the aerodynamic characteristics is also investigated in both sections. And the mechanism about the generation of fluctuating aerodynamic forces is discussed.
Trains emerging on a streamlined bridge-girder may have salient interference effects on the aerodynamic properties of the bridge. The present paper aims at investigating these interferences by wind tunnel measurements, covering surface pressure distributions, near wake profiles, and flow visualizations. Experimental results show that the above interferences can be categorized into two primary effects, i.e., an additional angle of attack (AoA) and an enhancement in flow separation. The additional AoA effect is demonstrated by the upward-moved stagnation point of the oncoming flow, the up-shifted global symmetrical axis of flow around the bridge-girder, and the clockwise-deflected orientation of flow approaching the bridge-girder. Due to this additional AoA effect, the two critical AoAs, where flow around the bridge-girder transits from trailing-edge vortex shedding (TEVS) to impinging leading-edge vortices (ILEV) and from ILEV to leading-edge vortex shedding (LEVS) of the bridge-girder are increased by 4° with respect to the same bridge-girder without trains. On the other hand, the underlying flow physics of the enhancement in flow separation is the large-scale vortices shedding from trains instead of TEVS, ILEV, and LEVS governed the upper half bridge-girder without trains in different ranges of AoA. Because of this enhancement, the mean lift and moment force coefficients, all the three fluctuating force coefficients (drag, lift, and moment), and the aerodynamic span-wise correlation of the bridge-girder are more significant than those without trains.
Gust Factor법은 구조물의 등가정적 풍하중을 평가하는 일반적인 방법으로 구조물의 최대 응답시의 풍하중의 분포가 평균풍하중의 분포와 동일한 형상을 가진다는 가정하에 적용한다. 그러나 대스팬 구조물의 경우 평균 풍하중의 형상과 변동 풍하중의 형상이 다를 수 있어 1차모드뿐 아니라 고차모드의 영향을 고려하여 구조물의 풍응답과 풍하중을 산정하여야 한다. 본 논문에서는 등가정적 풍하중을 산정하기 위하여 현재 사용되고 있는 Gust Factor 법 (GF법), Load-response-correlation법 (LRC법)에 대해 고찰하고, Advanced Conditional Sampling 법 (ACS법)을 제안하였다. ACS법은 최대하중효과를 나타내는 순간에 선택된 풍압분포와 구조물의 동적거동에 의해 발생한 관성력을 합성하여 등가정적풍하중을 산정하는 방법이다. 최대하중 효과는 풍동실험에서 얻어진 풍압데이터를 이용하여 시간이력해석으로 평가한다. 제안된 ACS법과 기존의 GF법 및 LRC법을 지붕 구조물에 적용하여 등가정적 풍하중을 산출하고 이를 상호 비교 분석함으로써 ACS법의 유효성을 검증하고자 한다.
A numerical investigation on forces and flow around three square cylinders in side-by-side arrangement is conducted at a Reynolds number Re = 150 with the cylinder center-to-center spacing ratio L/W = 1.1 ~ 9.0, where W is the cylinder side width. The flowat this Re is assumed to be two-dimensional, incompressible, and Newtonian. The flow simulation is conducted by using ANSYS-Fluent. The flow around the three side-by-side cylinders entails some novel flow physics, involving the interaction between the gap and free-stream side flows as well as that between the two gap flows. An increase in L/W from 1.1 to 9.0 leads to five distinct flow regimes, viz., base-bleed flow (L/W < 1.4), flip-flopping flow (1.4 < L/W < 2.1), symmetrically biased beat flow (2.1 < L/W < 2.6), non-biased beat flow (2.6 < L/W < 7.25) and weak interaction flow (7.25 < L/W < 9.0). The gap flow behaviors, time-averaged and fluctuating fluid forces, time-averaged pressure, recirculation bubble, formation length, and wake width in each flow regime are discussed in detail.
Flow-excited acoustic resonance in ducted cavities can produce high levels of acoustic pressure that may lead to severe damage. This occurs when the flow instability over the cavity mouth, which is created by the free shear layer separation at the upstream edge, is coupled with one of the acoustic modes in the accommodating enclosure. Acoustic resonance can cause high amplitude fluctuating acoustic loads in and near the cavity. Such acoustic loads could cause damage in sensitive applications such as aircraft weapon bays. Therefore, the suppression and mitigation of these resonances are very important. Much of the work done in the past focused on the fluid-dynamic oscillation mechanism or suppressing the resonance by altering the edge condition at the shear layer separation. However, the effect of the downstream edge has received much less attention. This paper considers the effect of the impingement edge geometry on the acoustic resonance excitation and Strouhal number values of the flow instabilities in a ducted shallow cavity with an aspect ratio of 1.0. Several edges, including chamfered edges with different angles and round edges with different radii, were investigated. In addition, some downstream edges that have never been studied before, such as saw-tooth edges, spanwise cylinders, higher and lower steps, and straight and delta spoilers, are investigated. The experiments are conducted in an open-loop wind tunnel that can generate flows with a Mach number up to 0.45. The study shows that when some edge geometries, such as lower steps, chamfered, round, and saw-tooth edges, are installed downstream, they demonstrate a promising reduction in the acoustic resonance. On the other hand, higher steps and straight spoilers resulted in intensifying the acoustic resonance. In addition, the effect of edge geometry on the Strouhal number is presented.
Bhatt, Rajesh;Maiti, Dilip K.;Alam, Md. Mahbub;Rehman, S.
Wind and Structures
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제26권5호
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pp.331-341
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2018
A numerical study on the flow over a square cylinder in the vicinity of a wall is conducted for different Couette-Poiseuille-based non-uniform flow with the non-dimensional pressure gradient P varying from 0 to 5. The non-dimensional gap ratio L (=$H^{\ast}/a^{\ast}$) is changed from 0.1 to 2, where $H^{\ast}$ is gap height between the cylinder and wall, and $a^{\ast}$ is the cylinder width. The governing equations are solved numerically through finite volume method based on SIMPLE algorithm on a staggered grid system. Both P and L have a substantial influence on the flow structure, time-mean drag coefficient ${\bar{C}}_D$, fluctuating (rms) lift coefficient ($C_L{^{\prime}}$), and Strouhal number St. The changes in P and L leads to four distinct flow regimes (I, II, III and IV). Following the flow structure change, the ${\bar{C}}_D$, $C_L{^{\prime}}$, and St all vary greatly with the change in L and/or P. The ${\bar{C}}_D$ and $C_L{^{\prime}}$ both grow with increasing P and/or L. The St increases with P for a given L, being less sensitive to L for a smaller P (< 2) and more sensitive to L for a larger P (> 2). A strong relationship is observed between the flow regimes and the values of ${\bar{C}}_D$, $C_L{^{\prime}}$ and St. An increase in P affects the pressure distribution more on the top surface than on bottom surface while an increase in L does the opposite.
Flow interference is investigated between two tripped cylinders of identical diameter D at stagger angle ${\alpha}=0^{\circ}{\sim}180^{\circ}$ and gap spacing ratio $P^*$ (= P/D) = 0.1 ~ 5, where ${\alpha}$ is the angle between the freestream velocity and the line connecting the cylinder centers, and P is the gap width between the cylinders. Two tripwires, each of diameter 0.1D, were attached on each cylinder at azimuthal angle ${\beta}={\pm}30^{\circ}$, respectively. Time-mean drag coefficient ($C_D$) and fluctuating drag ($C_{Df}$) and lift ($C_{Lf}$) coefficients on the two tripped cylinders were measured and compared with those on plain cylinders. We also conducted surface pressure measurements to assimilate the fluid dynamics around the cylinders. $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ all for the plain cylinders are strong function of ${\alpha}$ and $P^*$ due to strong mutual interference between the cylinders, connected to six interactions (Alam and Meyer 2011), namely boundary layer and cylinder, shear-layer/wake and cylinder, shear layer and shear layer, vortex and cylinder, vortex and shear layer, and vortex and vortex interactions. $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ are very large for vortex and cylinder, vortex and shear layer, and vortex and vortex interactions, i.e., the interactions where vortex is involved. On the other hand, the interference as well as the strong interactions involving vortices is suppressed for the tripped cylinders, resulting in insignificant variations in $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ with ${\alpha}$ and $P^*$. In most of the (${\alpha}$, $P^*$ ) region, the suppressions in $C_D$, $C_{Df}$ and $C_{Lf}$ are about 58%, 65% and 85%, respectively, with maximum suppressions 60%, 80% and 90%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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