Modelling incompressible, neutrally stratified, barotropic, horizontally homogeneous and steady-state atmospheric boundary layer (ABL) is an important aspect in computational wind engineering (CWE) applications. The ABL flow can be viewed as a balance of the horizontal pressure gradient force, the Coriolis force and the turbulent stress divergence. While much research has focused on the increase of the wind velocity with height, the Ekman layer effects, entailing veering - the change of the wind velocity direction with height, are far less concerned in wind engineering. In this paper, a modified k-ε model is introduced for the ABL simulation considering wind veering. The self-sustainable method is discussed in detail including the precursor simulation, main simulation and near-ground physical quantities adjustment. Comparisons are presented among the simulation results, field measurement values and the wind profiles used in the conventional wind tunnel test. The studies show that the modified k-ε model simulation results are consistent with field measurement values. The self-sustainable method is effective to maintain the ABL physical quantities in an empty domain. The wind profiles used in the conventional wind tunnel test have deficiencies in the prediction of upper-level winds. The studies in this paper support future practical super high-rise buildings design in CWE.
An improvement to the spectral representation algorithm for the simulation of wind velocity fields on large scale structures is proposed in this paper. The method proposed by Deodatis (1996) serves as the basis of the improved algorithm. Firstly, an interpolation approximation is introduced to simplify the computation of the lower triangular matrix with the Cholesky decomposition of the cross-spectral density (CSD) matrix, since each element of the triangular matrix varies continuously with the wind spectra frequency. Fast Fourier Transform (FFT) technique is used to further enhance the efficiency of computation. Secondly, as an alternative spectral representation, the vectors of the triangular matrix in the Deodatis formula are replaced using an appropriate number of eigenvectors with the spectral decomposition of the CSD matrix. Lastly, a turbulent wind velocity field through a vertical plane on a long-span bridge (span-wise) is simulated to illustrate the proposed schemes. It is noted that the proposed schemes require less computer memory and are more efficiently simulated than that obtained using the existing traditional method. Furthermore, the reliability of the interpolation approximation in the simulation of wind velocity field is confirmed.
To address the uncertainty of the flight trajectories caused by the turbulence and gustiness of the wind field over the roof and in the wake of a building, a 3-D probabilistic trajectory model of flat-type wind-borne debris is developed in this study. The core of this methodology is a 6 degree-of-freedom deterministic model, derived from the governing equations of motion of the debris, and a Monte Carlo simulation engine used to account for the uncertainty resulting from vertical and lateral gust wind velocity components. The influence of several parameters, including initial wind speed, time step, gust sampling frequency, number of Monte Carlo simulations, and the extreme gust factor, on the accuracy of the proposed model is examined. For the purpose of validation and calibration, the simulated results from the 3-D probabilistic trajectory model are compared against the available wind tunnel test data. Results show that the maximum relative error between the simulated and wind tunnel test results of the average longitudinal position is about 20%, implying that the probabilistic model provides a reliable and effective means to predict the 3-D flight of the plate-type wind-borne debris.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.32
no.7
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pp.549-557
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2008
Despite of the laminar-turbulent transition region co-exist with fully turbulence region around the leading edge of an airfoil, still lots of researchers apply to fully turbulence models to predict aerodynamic characteristics. It is well known that fully turbulent model such as standard k-model couldn't predict the complex stall and the separation behavior on an airfoil accurately, it usually leads to over prediction of the aerodynamic characteristics such as lift and drag forces. So, we apply correlation based transition model to predict aerodynamic performance of the NREL (National Renewable Energy Laboratory) Phase IV wind turbine. And also, compare the computed results from transition model with experimental measurement and fully turbulence results. Results are presented for a range of wind speed, for a NREL Phase IV wind turbine rotor. Low speed shaft torque, power, root bending moment, aerodynamic coefficients of 2D airfoil and several flow field figures results included in this study. As a result, the low speed shaft torque predicted by transitional turbulence model is very good agree with the experimental measurement in whole operating conditions but fully turbulent model(${\kappa}-\;{\varepsilon}$) over predict the shaft torque after 7m/s. Root bending moment is also good agreement between the prediction and experiments for most of the operating conditions, especially with the transition model.
This study presents a mode analysis of 3D turbulent velocity data around a square-section building model to identify the dynamic system for Kármán-type vortex shedding. Proper orthogonal decomposition (POD) was first performed to extract the significant 3D modes. Magnitude-squared coherence was then applied to detect the phase consistency between the modes, which were roughly divided into three groups. Group 1 (modes 1-4) depicted the main vortex shedding on the wake of the building, with mode 2 being controlled by the inflow fluctuation. Group 2 exhibited complex wake vortexes and single-sided vortex phenomena, while Group 3 exhibited more complicated phenomena, including flow separation. Subsequently, a third-order polynomial regression model was used to fit the dynamics system of modes 1, 3, and 4, which revealed average trend of the state trajectory. The two limit cycles of the regression model depicted the two rotation directions of Kármán-type vortex. Furthermore, two characteristic periods were identified from the trajectory generated by the regression model, which indicates fast and slow motions of the wake vortex. This study provides valuable insights into 3D mode morphology and dynamics of Kármán-type vortex shedding that helps to improve design and efficiency of structures in turbulent flow.
The turbulent flow around a sphere was investigated in a streamwise meridian plane using two experimental techniques: smoke-wire flow visualization in wind tunnel at Re=5,300 and PIV measurements in a circulating water channel at Re=7,400. The smoke-wire visualization shows flow separation points near an azimuthal angle of $90^{\circ}$, recirculating flow, transition from laminar to turbulent shear layer, evolving vortex roll-up and fully turbulent eddies in the sphere wake. In addition, the mean flow pattern extracted by particle tracing method in water tunnel at Re= 14,500 reveals two distinct comparable toroidal(not closed) vortices in the recirculation region. The mean velocity field measured using a PIV technique demonstrates the detailed wake configuration of close symmetric recirculation and near-wake configuration with two toroidal vortices, reversed velocity zone and vorticity contours.
In this paper, the authors test various open codes and commercial codes based on CFD technology on the wind field around the complex terrain, which is a very important transport physics in the event of forrest fire. To study the physical mechanism inside the transition from surface fire to crown fire, the wake flow behind a parallel array of trees is studied numerically to show the flow separation in the turbulent boundary layer. Two sites near to Kunsan National University are chosen for the measurement of real wind field, and obtained data are compared with those from various computational codes such as Wind-Ninja, NIST-FDS, ANSYS-CFX, and ANSYS-FlUENT, etc. Through this research, feasibility and accuracy of the present CFD codes are investigated quantitatively, compared with the measured data with AWS.
Zachry, Brian C.;Letchford, Chris W.;Zuo, Delong;Kennedy, Andrew B.
Wind and Structures
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v.16
no.2
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pp.193-211
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2013
This paper presents results from a wind tunnel study that examined the drag coefficient and wind flow over an asymmetric wave train immersed in turbulent boundary layer flow. The modeled wavy surface consisted of eight replicas of a statistically-valid hurricane-generated wave, located near the coast in the shoaling wave region. For an aerodynamically rough model surface, the air flow remained attached and a pronounced speed-up region was evident over the wave crest. A wavelength-averaged drag coefficient was determined using the wind profile method, common to both field and laboratory settings. It was found that the drag coefficient was approximately 50% higher than values obtained in deep water hurricane conditions. This study suggests that nearshore wave drag is markedly higher than over deep water waves of similar size, and provides the groundwork for assessing the impact of nearshore wave conditions on storm surge modeling and coastal wind engineering.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.11
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pp.1434-1443
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1999
The turbulent fluctuations of temperature and two components of velocity have been measured with hot- and cold-wires in the Thermally Stratified Wind Tunnel(TSWT). Using the fin-tube heat exchanger type heaters and the neural network control algorithm, both stable ($dT/dz=109.4^{\circ}C$) and unstable ($dT/dz=-49.1^{\circ}C$) stratifications were realized. An ambient air jet was issued normally into the cross flow($U_{\infty}=1.0 m/s$) from a round nozzle(d = 6 mm) flushed at the bottom waII of the wind tunnel with the velocity ratio of $5.8(U_{jet}/U_{\infty})$. The characteristics of turbulent dispersion in the cross flow jet are found to change drastically depending on the thermal stratification. Especially, in the unstable condition, the vertical velocity fluctuation increases very rapidly at downstream of jet. The fluctuation velocity spectra and velocity-temperature cospectra along the jet centerline were obtained and compared. In the case of stable stratification, the heat flux cospectra changes Its sign from a certain point at the far field because of the restratification phenomenon. It is inferred that the main reason in the difference between the vertical heat fluxes is caused by the different length scales of the large eddy motions. The turbulent kinetic energy and scalar dissipation rates were estimated using partially non-isotropic and isotropic turbulent approximation. In the unstable case, the turbulent energy dissipation decreases more rapidly with the downstream distance than in the stable case.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.5
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pp.1322-1329
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1994
The effect of thermal stratification on the stratified flow past a circular cylinder was examined in a wind tunnel. Turbulent intensities, the rms values of temperature and turbulent convective heat flux as well as the velocity and temperature profiles in the cylinder wake with a strong thermal gradient of $200^{\circ}C/m$ were measured by using a hot-wire and cold-wire combination probe. It is found that the temperature field affects as an active contaminant, so that the vertical growth of vortical structure is suppressed and the strouhal number decreases with increasing the extent of stratification. And also, the wake structure can not sustain their symmetricity about the wake centerline and vertical turbulent motion dissipates faster than that of the neutral case when such a strong thermal gradient is superimposed. It is evident that the turbulent mixing in the upper half section is stronger than that of the lower of the wake in a stably stratified flow because the turbulent intensities and convective heat flux in the upper half section are larger than those of the lower half of the wake.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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