This paper presents some examples of active control of flow-induced vibration using piezoelectric actuators. The flutter phenomenon, which is the dynamic instability of structure due to mutual interaction among inertia, stiffness, and aerodynamic forces, may cause catastrophic structural failure, and therefore the active flutter suppression is one of the main objectives of the aeroelastic control. Active flutter control has been numerically and experimentally studied for swept-back lifting surfaces using piezoelectric actuation. A finite element method, a panel aerodynamic method, and the minimum state space realization are involved in the development of the governing equation, which is efficiently used for the analysis of the system and design of control laws with modern control framework. The active control suppressed flow-induced vibrations and extended the flutter speed around by 10%. Another representative flow-induced vibration phenomenon is the oscillation of blunt bodies due to the vortex shedding. In general, it is quite difficult to set up the numerical model because of the strong non-linearity of the vortex shedding structure. Therefore, we applied adaptive positive position feedback controller, which requires no pre-determined model of the plant, and successfully suppressed the flow-induced vibration.
The objective of this work was to investigate the interference effects of two-parallel bridge decks on aerodynamic coefficients, vortex-induced vibration, flutter instability and flutter derivatives. The two bridges have significant difference in cross-sections, dynamic properties, and flutter speeds of each isolate bridge. The aerodynamic static tests and aeroelastic tests were performed in TU-AIT boundary layer wind tunnel in Thammasat University (Thailand) with sectional models in a 1:90 scale. Three configuration cases, including the new bridge stand-alone (case 1), the upstream new bridge and downstream existing bridge (case 2), and the downstream new bridge and the upstream existing bridge (case 3), were selected in this study. The covariance-driven stochastic subspace identification technique (SSI-COV) was applied to identify aerodynamic parameters (i.e., natural frequency, structural damping and state space matrix) of the decks. The results showed that, interference effects of two bridges decks on aerodynamic coefficients result in the slightly reduction of the drag coefficient of case 2 and 3 when compared with case 1. The two parallel configurations of the bridge result in vortex-induced vibrations (VIV) and significantly lower the flutter speed compared with the new bridge alone. The huge torsional motion from upstream new bridge (case 2) generated turbulent wakes flow and resulted in vertical aerodynamic damping H1* of existing bridge becomes zero at wind speed of 72.01 m/s. In this case, the downstream existing bridge was subjected to galloping oscillation induced by the turbulent wake of upstream new bridge. The new bridge also results in significant reduction of the flutter speed of existing bridge from the 128.29 m/s flutter speed of the isolated existing bridge to the 75.35 m/s flutter speed of downstream existing bridge.
A major problem with high-mast light poles is the effects that wind vortex shedding can have on the pole itself because of the lock-in phenomenon. It is desired that the coefficients in the AASHTO Standard Specifications ($5^{th}$ edition) for Structural Supports for Highway Signs, Luminaries, and Traffic Signals be analyzed and refined. This is for the belief that the span of the shapes of poles for which the coefficients are used is much too broad and a specific coefficient for each different shape is desired. The primary objective of this study is to develop wind vortex shedding coefficient for a multisided shape. To do that, an octagonal shape was used as the main focus since octagonal cross sectioned high-mast light poles are one of the most common shapes in service. For the needed data, many wind parameters, such as the static drag coefficient, the slope of aerodynamic lift coefficient, Strouhal number, the lock-in range of wind velocities producing vibrations, and variation of amplitude of vortex-induced vibration with Scruton number are needed. From wind tunnel experiments, aerodynamic parameters were obtained for an octagonal shape structure. Even though aerodynamic coefficients are known from past test results, they need to be refined by conducting further wind tunnel tests.
In this paper, a flow visualization analysis has been carried out on an oscillating square section cylinder, numerically, using a commercially available code CFD-ACE. In this study, the square cylinder is forced to oscillate at different frequencies of excitation, viz., fe/fo=0.5, 1.0 and 2.0 (where, fe is the excitation frequency provided to the cylinder and fo is the natural vortex shedding frequency from the stationary cylinder at a particular Reynolds number (=5200). In all the cases, the peak-to-peak amplitude of oscillation is kept at 32% of the side dimension of the square cylinder. These studies are conducted to understand the influence of frequency of oscillation on the flow field features around the cylinder, particularly the mode of vortex shedding. Results indicate that, the flow field around a square cylinder is very much influenced by the excitation frequency, in particular the vortex shedding mode. It is also found that, the vortex street parameters are significantly influence by the oscillation frequency. Comparison with earlier reported experimental studies has also been attempted in this paper. In appears that, such a numerical exercise (as performed in this paper) is first of its kind. It is believed that, these studies would enable one to understand the mechanisms underlying the flow-induced vibrations of a square section cylinder.
와류발산현상을 파악하기 위한 풍동과 2층 전단건물을 제작하였다. 풍동은 풍속이 24m/s까지 구현되도록 제작하였으며, 전단건물은 고유 진동수가 풍동에서 구현 할 수 있는 와류 진동수 범위에 속하도록 설계되었다. 원통형 실린더를 부착한 전단건물의 풍동실험을 수행하여 locking-on 현상에 의한 공명현상을 관찰하였다. 또한 관찰된 결과로부터 와류발산하중은 실린더의 진폭과 진동수의 영향이 작용하는 것을 파악하였다.
Vortex-induced vibration of three circular cylinders (each of diameter D) in an equilateral triangular arrangement is investigated using the immersed boundary method. The cylinders, with one placed upstream and the other two side-by-side downstream, are free to vibrate in the cross-flow direction. The cylinder center-to-center spacing L is adopted as L/D = 2.0. Other parameters include the Reynolds number Re = 100, mass ratio $m^*=2.0$, reduced velocity $U_r=2{\sim}15$ and damping ratio ${\zeta}=0$. Cylinder vibration responses are dependent on $U_r$ and classified into five regimes, i.e. Regime I ($U_r{\leq}3.2$), Regime II ($3.2<U_r{\leq}5.0$), Regime III ($5.0<U_r{\leq}6.4$), Regime IV ($6.4<U_r{\leq}9.2$) and Regime V ($U_r>9.2$). Different facets of vibration amplitude, hydrodynamic forces, wake patterns and displacement spectra are extracted and presented in detail for each regime.
Vortex-Induced-Vibration (VIV) is one kind of the wind-induced vibrations, which may occur in the construction and operation period of bridges. This phenomenon can bring negative effects to the traffic safety or can cause bridge fatigue damage and should be eliminated or controlled within safe amplitudes.In the current VIV studies, one available mitigation countermeasure, the horizontal flow-isolating plate, shows satisfactory performance particularly in PI shaped bridge deck type. Details of the wind tunnel test are firstly presented to give an overall description of this appendage and its control effect. Then, the computational-fluid-dynamics(CFD) method is introduced to investigate the control mechanism, using two-dimensional Large-Eddy-Simulation to reproduce the VIV process. The Reynolds number of the cases involved in this paper ranges from $1{\times}10^5$ to $3{\times}10^5$, using the width of bridge deck as reference length. A field-filter technique and detailed analysis on wall pressure are used to give an intuitive demonstration of the changes brought by the horizontal flow-isolating plate. Results show that this aerodynamic appendage is equally effective in suppressing vertical and torsional VIV, indicating inspiring application prospect in similar PI shaped bridge decks.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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제2권4호
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pp.363-374
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2009
The 2D flow around 13 similar stay-vane profiles with different trailing edge geometries is investigated to determinate the main characteristics of the excitation forces for each one of them and their respective dynamic behaviors when modeled as a free-oscillating system. The main goal is avoid problems with cracks of hydraulic turbines components. A stay vane profile with a history of cracks was selected as the basis for this work. The commercial finite-volume code $FLUENT^{(R)}$ was employed in the simulations of the stationary profiles and, then, modified to take into account the transversal motion of elastically mounted profiles with equivalent structural stiffness and damping. The k-$\omega$ SST turbulence model is employed in all simulations and a deforming mesh technique used for models with profile motion. The static-model simulations were carried out for each one of the 13 geometries using a constant far field flow velocity value in order to determine the lift force oscillating frequency and amplitude as a function of the geometry. The free-oscillating stay-vane simulations were run with a low mass-damping parameter ($m^*{\xi}=0.0072$) and a single mean flow velocity value (5m/s). The structural bending stiffness of the stay-vane is defined by the Reduced Velocity parameter (Vr). The dynamic analyses were divided into two sets. The first set of simulations was carried out only for one profile with $2{\leq}Vr{\leq}12$. The second set of simulations focused on determining the behavior of each one of the 13 profiles in resonance.
In this paper the unsteady fluid-structure interaction (FSI) problems with large structural displacement are solved by partitioned solution approaches in the arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element framework. The incompressible Navier-Stokes equations are solved by the characteristic-based split (CBS) scheme. Both a rigid body and a geometrically nonlinear solid are considered as the structural models. The latter is solved by Newton-Raphson procedure. The equation governing the structural motion is advanced by Newmark-${\beta}$ method in time. The dynamic mesh is updated by using moving submesh approach that cooperates with the ortho-semi-torsional spring analogy method. A mass source term (MST) is introduced into the CBS scheme to satisfy geometric conservation law. Three partitioned coupling strategies are developed to take FSI into account, involving the explicit, implicit and semi-implicit schemes. The semi-implicit scheme is a mixture of the explicit and implicit coupling schemes due to the fluid projection splitting. In this scheme MST is renewed for interfacial elements. Fixed-point algorithm with Aitken's ${\Delta}^2$ method is carried out to couple different solvers within the implicit and semi-implicit schemes. Flow-induced vibrations of a bridge deck and a flexible cantilever behind an obstacle are analyzed to test the performance of the proposed methods. The overall numerical results agree well with the existing data, demonstrating the validity and applicability of the present approaches.
For estimating the vortex excited vibrations of overhead transmission lines, the Energy Balance Principle (EBP) is well established for spans damped near the ends. Although it involves radical simplifications, the method is known to give useful estimates of the maximum vibration levels. For very long spans, there often is the need for a large number of in-span fittings, such as in-span Stockbridge dampers, aircraft warning spheres etc. This adds complexity to the problem and makes the energy balance principle in its original form unsuitable. In this paper, a modified version of EBP is described taking into account in-span damping and in particular also aircraft warning spheres. In the first step the complex transcendental eigenvalue problem is solved for the conductor with in-span fittings. With the thus determined complex eigenvalues and eigenfunctions a modified energy balance principle is then used for scaling the amplitudes of vibrations at each resonance frequency. Bending strains are then estimated at the critical points of the conductor. The approach has been used by the authors for studying the influence of in-span Stockbridge dampers and aircraft warning spheres; and for optimizing their positions in the span. The modeling of the aircraft warning sphere is also described in some detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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