In recent years, the Graphics Processing Unit (GPU) has become a competitive computing technology in comparison with the standard Central Processing Unit (CPU) technology due to reduced unit cost, energy and computing time. This paper describes the derivation and implementation of GPU-based algorithms for the analysis of wind loading uncertainty on high-rise systems, in line with the research field of probability-based wind engineering. The study begins by presenting an application of the GPU technology to basic linear algebra problems to demonstrate advantages and limitations. Subsequently, Monte-Carlo integration and synthetic generation of wind turbulence are examined. Finally, the GPU architecture is used for the dynamic analysis of three high-rise structural systems under uncertain wind loads. In the first example the fragility analysis of a single degree-of-freedom structure is illustrated. Since fragility analysis employs sampling-based Monte Carlo simulation, it is feasible to distribute the evaluation of different random parameters among different GPU threads and to compute the results in parallel. In the second case the fragility analysis is carried out on a continuum structure, i.e., a tall building, in which double integration is required to evaluate the generalized turbulent wind load and the dynamic response in the frequency domain. The third example examines the computation of the generalized coupled wind load and response on a tall building in both along-wind and cross-wind directions. It is concluded that the GPU can perform computational tasks on average 10 times faster than the CPU.
This paper investigates the correlation of wind characteristics monitored on a cable-stayed bridge. Total five anemoscopes are implemented into the bridge. Two out of 5 anemoscopes in inflow and two out of 5 anemoscopes in wake-flow along the longitudinal direction of the bridge are installed. Four anemoscopes are respectively distributed at two cross-sections. Another anemoscope is installed at the top of the tower. The correlation of mean wind speed and direction, power spectral density, the turbulent intensity and integral length of wind in flow at two cross-sections are investigated. In addition, considering the non-stationary characteristics of wind, the spatial correlation in time-frequency is analyzed using wavelet transform and different phenomenon from those obtained through FFT is observed. The time-frequency analysis further indicates that intermittence, coherence structures and self-similar structures are distinctly observed from fluctuant wind. The flow characteristics around the bridge deck at two positions are also investigated using the field measurement. The results indicate that the mean wind speed decrease when the flow passing through the deck, but the turbulence intensity become much larger and the turbulence integral lengths become much smaller compared with those of inflow. The relationship of RMS (root mean square) of wake-flow and the mean wind speed of inflow is approximately linear. The special structures of wake-flow in time-frequency domain are also analyzed using wavelet transform, which aids to reveal the forming process of wake-flow.
This paper presents a time domain approach for predicting buffeting response of long suspension bridges under skew winds. The buffeting forces on an oblique strip of the bridge deck in the mean wind direction are derived in terms of aerodynamic coefficients measured under skew winds and equivalent fluctuating wind velocities with aerodynamic impulse functions included. The time histories of equivalent fluctuating wind velocities and then buffeting forces along the bridge deck are simulated using the spectral representation method based on the Gaussian distribution assumption. The self-excited forces on an oblique strip of the bridge deck are represented by the convolution integrals involving aerodynamic impulse functions and structural motions. The aerodynamic impulse functions of self-excited forces are derived from experimentally measured flutter derivatives under skew winds using rational function approximations. The governing equation of motion of a long suspension bridge under skew winds is established using the finite element method and solved using the Newmark numerical method. The proposed time domain approach is finally applied to the Tsing Ma suspension bridge in Hong Kong. The computed buffeting responses of the bridge under skew winds during Typhoon Sam are compared with those obtained from the frequency domain approach and the field measurement. The comparisons are found satisfactory for the bridge response in the main span.
The wind-blown sand effect on the high-speed train is investigated. Unsteady RANS equation and the SST k-ω turbulent model coupled with the discrete phase model (DPM) are utilized to simulate the two-phase of air-sand. Sand impact force is calculated based on the Hertzian impact theory. The different cases, including various wind velocity, train speed, sand particle diameter, were simulated. The train's flow field characteristics and the sand impact force were analyzed. The results show that the sand environment makes the pressure increase under different wind velocity and train speed situations. Sand impact force increases with the increasing train speed and sand particle diameter under the same particle mass flow rate. The train aerodynamic force connected with sand impact force when the train running in the wind-sand environment were compared with the aerodynamic force when the train running in the pure wind environment. The results show that the head car longitudinal force increase with wind speed increasing. When the crosswind speed is larger than 35m/s, the effect of the wind- sand environment on the train increases obviously. The longitudinal force of head car increases 23% and lateral force of tail increases 12% comparing to the pure wind environment. The sand concentration in air is the most important factor which influences the sand impact force on the train.
Full-scale wind characteristics based on the field measurements is an essential element in structural wind engineering. Statistical analysis of the wind characteristics at Sutong Cable-stayed Bridge (SCB) site is conducted in this study with the recorded long-term wind data from structural health monitoring system (SHMS) between 2008 and 2015. Both the mean and turbulent wind characteristics and power spectra are comprehensively investigated and compared with those in the current codes of practice, such as the measured wind rose diagram, monthly maximum mean wind speed, turbulence intensity, integral length scale. Measurement results based on the monitoring data show that winds surrounding the SCB site are substantially influenced by the southeast monsoon in summer and strong northern wind in winter. The measured turbulence intensity is slightly higher than the recommended values in specifications, while the measured ratio of lateral to longitudinal turbulence intensity is slightly lower. An approximately linear relationship between the measured turbulence intensities and gust factors is obtained. The mean value of the turbulence integral length scale is smaller than that of typical typhoon events. In addition, it is found that the Kaimal spectrum is suitable to be adopted as the power spectrum for longitudinal wind component at the SCB site. This contribution would provide important wind characteristic references for the wind performance evaluation of SCB and other civil infrastructures in adjacent regions.
Lee Seungbae;Lee Chang-Jun;Kwon O-Sup;Jeon Woo-Pyung
Proceedings of the KSME Conference
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2002.08a
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pp.779-782
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2002
We examine the problem in which porous/viscoelastic compliant thin plates are subject to pressure fluctuations under transitional or turbulent boundary layer. Measurements are presented of the frequency spectra of the near-field pressure and radiated sound by compliant surface. A porous plate consisting of 5mm thick, open-cell foam with fabric covering and a viscoelastic painted plate of 1mm thick over an acoustic board of 4m thick were placed over a rigid surface in an anechoic wind tunnel. Streamwise velocity and wall pressure measurements were shown to highly attenuate the convective wall pressure energy when the convective wavenumber ($k_{ch}$) was 3.0 or more. The sound source localization on the compliant walls is applied to the measurement of radiated sound by using an acoustic mirror system.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.27
no.3
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pp.294-301
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2003
We examine a problem in which porous/viscoelastic compliant thin plates are subject to pressure fluctuations under transitional or turbulent boundary layer. Measurements are presented of the frequency spectra of the near-field pressure and radiated sound by compliant surface. A porous plate consisting of 5mm thick. open-cell foam with fabric covering and a viscoelastic-painted plate of 1mm thick over an acoustic board of 4mm thick were placed over a rigid surface in an anechoic wind tunnel. Streamwise velocity and wall pressure measurements were shown to highly attenuate the convective wall pressure energy when the convective wavenumber (k$_{c}$h) was 3.0 or more. The sound source localization on the compliant walls is applied to the measurement of radiated sound by using an acoustic mirror system.
During the past decade, many electrical transmission tower structures have failed during downburst events. This study is a part of a research program aimed to understand the behaviour of transmission lines under such localized wind events. The present study focuses on the assessment of the dynamic behaviour of the line conductors under downburst loading. A non-linear numerical model, accounting for large deformations and the effect of pretension loading, is developed and used to predict the natural frequencies and mode shapes of conductors at various loading stages. A turbulence signal is extracted from a set of full-scale data. It is added to the mean component of the downburst wind field previously evaluated from a CFD analysis. Dynamic analysis is performed using various downburst configurations. The study reveals that the response is affected by the background component, while the resonant component turns to be negligible due large aerodynamic damping of the conductors.
This study aims at modeling boundary layers (BLs) encountered in sparse and built environments (i.e. open, suburban and urban) at the subsonic Wind Tunnel (WT) at Ryerson University (RU). This WT has an insignificant turbulence intensity and requires a flow-conditioning system consisting of turbulence generating elements (i.e., spires, roughness blocks, barriers) to achieve proper turbulent characteristics. This system was developed and validated in the current study in three phases. In phase I, several Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations of the tunnel with generating elements were conducted to understand the effect of each element on the flow. This led to a preliminary design of the system, in which horizontal barriers (slats) are added to the spires to introduce turbulence at higher levels of the tunnel. This design was revisited in phase II, to specify slat dimensions leading to target BLs encountered by tall buildings. It was found that rougher BLs require deeper slats and, therefore, two-layer slats (one fixed and one movable) were implemented to provide the required range of slat depth to model most BLs. This system only involves slat movement to change the BL, which is very useful for automatic wind tunnel testing of tall buildings. The system was validated in phase III by conducting experimental wind tunnel testingof the system and comparing the resulting flow field with the target BL fields considering two length scales typically used for wind tunnel testing. A very good match was obtained for all wind field characteristics which confirms accuracy of the system.
The flow field around a high-speed train including cross-wind effects has been simulated. This study solves 3-D unsteady incompressible Navier-Stokes equations in the inertial frame using the iterative time marching scheme. The governing equations are differenced with 1st-order accurate backward difference scheme for the time derivatives, 3th-order accurate QUICK scheme for the convective terms and 2nd-order accurate central difference scheme for the viscous terms. The Marker-and-Cell concept was applied to efficiently solve continuity equation, which is differenced with 2nd-order accurate central difference scheme. The 4th-order artificial damping is added to the continuity equation for numerical stability. A C-H type of elliptic grid system is generated around a high-speed train including ground. The Baldwin-Lomax turbulent model was implemented to simulate the turbulent flows. To validate the present procedure, the flow around a high speed train at constant yaw angle of $45^{\circ}\;and\;90^{\circ}$ has been simulated. The simulation shows 3-D vortex generation in the lee corner. The flow separation is also observed around the rear of the train. It has concluded that the results of present study properly agree with physical flow phenomena.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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