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.
Yi Zhao;Guirong Yan;Ruoqiang Feng;Zhongdong Duan;Houjun Kang
Wind and Structures
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v.38
no.4
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pp.245-259
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2024
In a tornadic wind field, the vertical velocity component in certain regions of tornadoes can be significant, forming one of the major differences between tornadic wind fields and synoptic straight-line wind fields. To better understand the wind characteristics of tornadoes and properly estimate the action of tornadoes on civil structures, it is important to ensure that all the attributes of tornadoes are captured. Although Doppler radars have been used to measure tornadic wind fields, they can only directly provide information on quasi-horizontal velocity. Therefore, lots of numerical simulations and experimental tests in previous research ignored the vertical velocity at the boundary. However, the influence of vertical velocity in tornadic wind fields is not evaluated. To address this research gap, this study is to use an approach to derive the vertical velocity component based on the horizontal velocities extracted from the radar-measured data by mass continuity. This approach will be illustrated by using the radar-measured data of Spencer Tornado as an example. The vertical velocity component is included in the initial inflow condition in the CFD simulation to assess the influence of including vertical velocity in the initial inflow condition on the entire tornadic wind field.
High-resolution mesoscale meteorological modeling requires more accurate and higher resolution digital elevation model (DEM) data. Shuttle Radar Topographic Mission (SRTM) has created 90 m DEM for entire globe and that is freely available for meteorological modeling and environmental applications. In this research, the effects of the topographic interpolation methods on high-resolution wind field simulation in the coastal regions were quantitatively analyzed using Weather Research and Forecasting (WRF) model with SRTM data. Sensitivity experiments with three different interpolation schemes (four-point bilinear, sixteen-point overlapping parabolic and nearest neighbor interpolation methods) were preformed using SRTM. In WRF modeling with sixteen-point overlapping parabolic interpolation, the coastal line and some small islands show more clearly than other cases. The maximum height of inland is around 140 meters higher, while the minimum of sea height is about 80 meter lower. As it concerns the results of each scheme it seems that the sixteen-point overlapping parabolic scheme indicates the well agreement with observed surface wind data. Consequently, topographic changes due to interpolation methods can lead to the significant influence on mesoscale wind field simulation of WRF modeling.
Multivariate simulation is necessary for cases where non-Gaussian processes at spatially distributed locations are desired. A simulation algorithm to generate non-Gaussian wind pressure fields is proposed. Gaussian sample fields are generated based on the spectral representation method using wavelet transforms method and then mapped into non-Gaussian sample fields with the aid of a CDF mapping transformation technique. To illustrate the procedure, this approach is applied to experimental results obtained from wind tunnel tests on the domes. A multivariate Gaussian simulation technique is developed and then extended to multivariate non-Gaussian simulation using the CDF mapping technique. It is proposed to develop a new wavelet-based CDF mapping technique for simulation of multivariate non-Gaussian wind pressure process. The efficiency of the proposed methodology for the non-Gaussian nature of pressure fluctuations on separated flow regions of different rise-span ratios of domes is also discussed.
In this study, we focused on the improvements in the simulation of sea surface wind over the complex coastal area. MM5 model being currently used to predict sea surface wind at Korea Meteorological Administration, was used to verify the accuracy to estimate the local wind field. A case study was performed on clear days with weak wind speed(4 m/s), chosen by the analysis of observations. The model simulations were conducted in the southeastern area of Korea during the selected periods, and observational data such as AWS, buoy and QuikSCAT were used to compare with the calculated wind components to investigate if simulated wind field could follow the tendency of the real atmospheric wind field. Results showed that current operational model, MM5, does not estimate accurately sea surface wind and the wind over the coastal area. The calculated wind speed was overestimated along the complex coastal regions but it was underestimated in islands and over the sea. The calculated diurnal changes of wind direction could not follow well the tendency of the observed wind, especially at nighttime. In order to exceed the limitations, data assimilation with high resolution data and more specificated geographical information is expected as a next best policy to estimate accurately the environment of local marine wind field.
Pressure field and velocity profiles in a thunderstorm downburst are significantly different from that of an atmospheric boundary layer wind. A model of the pressure field in a downburst is presented in accordance with the experimental and numerical results. Large eddy simulation method is employed to investigate transient pressure field on impingement ground of a downburst. In addition, velocity profiles of the downburst are studied, and good agreement is achieved between the present results and the data obtained from empirical models.
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.
In the Structural Health Monitoring (SHM) system of civil engineering, data missing inevitably occurs during the data acquisition and transmission process, which brings great difficulties to data analysis and poses challenges to structural health monitoring. In this paper, Convolution Neural Network (CNN) is used to recover the nonstationary wind speed data missing randomly at sampling points. Given the technical constraints and financial implications, field monitoring data samples are often insufficient to train a deep learning model for the task at hand. Thus, simulation combined transfer learning strategy is proposed to address issues of overfitting and instability of the deep learning model caused by the paucity of training samples. According to a portion of target data samples, a substantial quantity of simulated data consistent with the characteristics of target data can be obtained by nonstationary wind-field simulation and are subsequently deployed for training an auxiliary CNN model. Afterwards, parameters of the pretrained auxiliary model are transferred to the target model as initial parameters, greatly enhancing training efficiency for the target task. Simulation synergy strategy effectively promotes the accuracy and stability of the target model to a great extent. Finally, the structural dynamic response analysis verifies the efficiency of the simulation synergy strategy.
The main purpose of this study is to examine the sensitivity of the WRF (Weather Research and Forecasting) in the wind field to the steepness of mountains in the case with a strong downslope wind occurred in the Yeongdong province. We conducted WRF simulations for February 13 2006. The initial and boundary data are from the NCEP/NCAR $1^{\circ}{\times}1^{\circ}$ GDAS. Arbitrary terrains of the mountains with a symmetric orography and an asymmetric one with steeper leeward slope, were introduced to examine the sensitivity of the shape of the mountains. The simulation with an asymmetric terrain results in stronger maximum surface wind by about $10ms^{-1}$ than with a symmetric terrain, especially in the narrow region from the peak to ~ 4 km away in the downstream. However, the maximum surface wind speed is weaker by $20ms^{-1}$ than with a symmetric terrain away from the narrow peak region. This indicates that the steeper slope leads to the intensification of downslope wind in the narrower region leeward. In addition, for the simulation with an asymmetric terrain, the strength of wave breaking is greater and the Lee wave is more dominant than for that with a symmetric terrain.
A meteorological model, RAMS, and a commercial computational fluid dynamics (CFD) model, FLUENT are combined as a one-way off-line nested modeling system, namely, RAMS/FLUENT system. The system is experimentally applied in the wind simulation over a complex terrain, with which numerical simulations of wind field over Foyeding weather station located in the northwest mountainous area of Beijing metropolis are performed. The results show that the method of combining a meteorological model and a CFD model as a modeling system is reasonable. In RAMS/FLUENT system, more realistic boundary conditions are provided for FLUENT rather than idealized vertical wind profiles, and the finite volume method (FVM) of FLUENT ensures the capability of the modeling system on describing complex terrain in the simulation. Thus, RAMS/FLUENT can provide fine-scale realistic wind data over complex terrains.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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