In the traditional buffeting response analysis method, the spanwise incomplete correlation of buffeting forces is always assumed to be same as that of the incident wind turbulence and the action of the signature turbulence is ignored. In this paper, three typical bridge decks usually adopted in the real bridge engineering, a single flat box deck, a central slotted box deck and a two-separated paralleled box deck, were employed as the investigated objects. The wind induced pressure on these bridge decks were measured via a series of wind tunnel pressure tests of the sectional models. The influences of the wind speed in the tests, the angle of attack, the turbulence intensity and the characteristic distance were taken into account and discussed. The spanwise root coherence of buffeting forces was also compared with that of the incidence turbulence. The signature turbulence effect on the spanwise root coherence function was decomposed and explained by a new empirical method with a double-variable model. Finally, the formula of a sum of rational fractions that accounted for the signature turbulence effect was proposed in order to fit the results of the spanwise root coherence function. The results show that, the spanwise root coherence of the drag force agrees with that of incidence turbulence in some range of the reduced frequency but disagree in the mostly reduced frequency. The spanwise root coherence of the lift force and the torsional moment is much larger than that of the incidence turbulence. The influences of the wind speed and the angle of attack are slight, and they can be ignored in the wind tunnel test. The spanwise coherence function often involves several narrow peaks due to the signature turbulence effect in the high reduced frequency zone. The spanwise coherence function is related to the spanwise separation distance and the spanwise integral length scales, and the signature turbulence effect is related to the deck-width-related reduced frequency.
For super long-span bridges, the aerodynamic forces induced by the flow passing the box girder should be considered carefully. And the Reynolds number sensitively of aerodynamic characteristics is one of considerable issue. In the study, a numerical study on the Reynolds number sensitivity of aerodynamic characteristic (flow pattern, pressure distribution and aerodynamic forces) of a twin-box girder were carried out using large eddy simulation (LES) with the dynamic Smagorinsky-Lilly subgrid model. The results show that the aerodynamic characteristics have strong correlation with the Reynolds number. At the leading edge, the flow experiences attachment, departure, and reattachment stages accompanying by the laminar transition into turbulence, causing pressure plateaus to form on the surface, and the pressure plateaus gradually shrinks. Around the gap, attributing that the flow experiences stages of laminar cavity flow, the wake with alternate shedding vortices, and turbulent cavity flow in sequence with an increase in the Reynolds number, the pressures around the gap vary greatly with the Reynold number. At the trailing edge, the pressure gradually recovers as the flow transits to turbulence (the flow undergoes wake instability, shear layer transition-reattachment station), In addition, at relative high Reynolds numbers, the drag force almost does not change, however, the lift force coefficient gradually decreases with an increase in Reynolds number.
In this study, we researched control compensation techniques to enhance control robustness against external forces and responsiveness to output dead zones in direct-actuated voice coil actuators for small guided missiles. An aircraft's wings must optimally control the command angle while managing various nonlinear external forces such as drag, lift, and thrust during flight. The small direct -drive voice coil actuator, when applied, benefits from small current requirements in no-load situations but suffers from diminished control robustness due to rapid increases in control current during external force applications. To address this issue, we designed and implemented a system that compensates for errors by accumulating additional output, thus improving the actuator's responsiveness in control scenarios with external forces. This was verified through experimental results.
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%.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.6
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pp.649-654
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2010
A three-dimensional numerical study of the WIG-effect vehicle with a direct-underside-pressurization (DUP) system and a propeller is performed to analyze the aerodynamic forces and moments acting on the vehicle. The computational model includes all the compartments of a WIG-effect vehicle, including a propeller in the middle of the fuselage and an air chamber under the fuselage. The DUP system and propeller help considerably reduce the take-off speed and minimize the effect of the hump drag when the vehicle accelerates to take off on water. The airflow is accelerated by a propeller, and the air then enters the air chamber through a channel in the middle of the fuselage, this air helps increase the lift since the dynamic pressure of air is converted to static pressure. However, the air accelerated by the propeller produces excessive drag and creates yawing moment. It is found that the effect of yawing and rolling moments on static stability is negligible.
Cristoforo Demartino;Zhen Sun;Giulia Matteoni;Christos T. Georgakis
Wind and Structures
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v.37
no.1
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pp.57-78
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2023
In this study, a generalized three-degree-of-freedom (3-DoF) analytical model is formulated to predict linear aerodynamic instabilities of a prism under quasi-steady (QS) conditions. The prism is assumed to possess a generic cross-section exposed to turbulent wind flow. The 3-DoFs encompass two orthogonal horizontal directions and rotation about the prism body axis. Inertial coupling is considered to account for the non-coincidence of the mass center and the rotation center. The aerodynamic force coefficients-drag, lift, and moment-depend on the Reynolds number based on relative flow velocity, angle of attack, and the angle between the wind and the cable. Aerodynamic forces are linearized with respect to the static equilibrium configuration and mean wind velocity. Routh-Hurwitz and Liénard and Chipart criteria are used in the eigenvalue problem, yielding an analytical solution for instabilities in galloping and static divergence types. Additionally, the minimum structural damping and stiffness required to prevent these instabilities are numerically determined. The proposed 3-DoF instability model is subsequently applied to a conductor with ice accretion and a full-scale dry inclined cable. In comparison to existing models, the developed model demonstrates superior prediction accuracy for unstable regions compared with results in wind tunnel tests.
Kargarmoakhar, Ramtin;Chowdhury, Arindam G.;Irwin, Peter A.
Wind and Structures
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v.20
no.2
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pp.327-347
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2015
This paper investigates the effects of Reynolds number (Re) on the aerodynamic characteristics of a twin-deck bridge. A 1:36 scale sectional model of a twin girder bridge was tested using the Wall of Wind (WOW) open jet wind tunnel facility at Florida International University (FIU). Static tests were performed on the model, instrumented with pressure taps and load cells, at high wind speeds with Re ranging from $1.3{\times}10^6$ to $6.1{\times}10^6$ based on the section width. Results show that the section was almost insensitive to Re when pitched to negative angles of attack. However, mean and fluctuating pressure distributions changed noticeably for zero and positive wind angles of attack while testing at different Re regimes. The pressure results suggested that with the Re increase, a larger separation bubble formed on the bottom surface of the upstream girder accompanied with a narrower wake region. As a result, drag coefficient decreased mildly and negative lift coefficient increased. Flow modification due to the Re increase also helped in distributing forces more equally between the two girders. The bare deck section was found to be prone to vortex shedding with limited dependence on the Re. Based on the observations, vortex mitigation devices attached to the bottom surface were effective in inhibiting vortex shedding, particularly at lower Re regime.
The paper discusses the effect of the winglets on the aerodynamic and aeroacoustic performance of Boeing 737-800 aircraft by numerical approach. For this purpose, computational fluid dynamics and fluent commercial software are used to solve the compressible flow governing equations. The RANS method and the K-ω SST turbulence model are selected to simulate the subsonic flow around the wing with acceptable accuracy and low computational cost. The main variables of steady flow around the simple and blended wing in constant atmospheric conditions are computed by numerical solution of governing equations. The solution of the acoustic field has also been accomplished by the broad-band acoustic source model. The results reveal that adding a blended winglet increases the pressure difference near the wingtip,which increases the lift force. Also, the blended winglet reduces the power and magnitude of vorticities around the wingtip, which reduces the wing's drag force. The effects of winglets on aerodynamic forces lead to a 3.8% increase in flight range and a 3.6% increase in the maximum payload of the aircraft. Also, the acoustic power level variables on the surfaces and fields around the wing have been investigated integrally and locally.
To evaluate the wind shielding effect of bridge towers with multiple limbs on high-speed trains, a wind tunnel test was conducted to investigate the aerodynamic characteristics of vehicles traversing multi-limb towers, which represented a combination of the steady aerodynamic coefficient of the vehicle-bridge system and wind environment around the tower. Subsequently, the analysis model of wind-vehicle-bridge (WVB) system considering the additional moments caused by lift and drag forces under nonuniform wind was proposed, and the reliability and accuracy of the proposed model of WVB system were verified using another model. Finally, the factors influencing the wind shielding effect of multi-limb towers were analyzed. The results indicate that the wind speed distributions along the span exhibit two sudden changes, and the wind speed generally decreases with increasing wind direction angle. The pitching and yawing accelerations of vehicles under nonuniform wind loads significantly increase due to the additional pitching and yawing moments. The sudden change values of the lateral and yawing accelerations caused by the wind shielding effect of multi-limb tower are 0.43 m/s2 and 0.11 rad/s2 within 0.4 s, respectively. The results indicate that the wind shielding effect of a multi-limb tower is the controlling factor in WVB systems.
Flow-induced noise propagated from flow over a sphere is numerically investigated for laminar flow at Re = 300 and 425, and for turbulent flow at Re = 3700 and $10^4$, where the Reynolds number is based on the freestream velocity and the sphere diameter. The numerical method used for obtaining the flow over a sphere is based on an immersed boundary method in a cylindrical coordinate system. The Curle’s solutions of the Lighthill’s acoustic analogy with and without the far-field and compact-source approximation are used in order to investigate the noise field from flow over a sphere. Since the drag and lift forces change irregularly in time at Re = 425, 3700 and $10^{4}$, the noise propagates in a complicated manner. At Re = 300, 425 and $10^{4}$, the noise from dipole sources is much larger than that from quadrupole sources. On the other hand, at Re = 3700, the quadrupole source becomes dominant. The temporal variation of the flow-induced noise around a sphere is obtained at some observation points, which shows that the peak frequency corresponds to the Strouhal number associated with the wake instability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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