Lepri, Petra;Kozmar, Hrvoje;Vecenaj, Zeljko;Grisogono, Branko
Wind and Structures
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v.19
no.5
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pp.505-522
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2014
While effects of the atmospheric boundary layer flow on engineering infrastructure are more or less known, some local transient winds create difficulties for structures, traffic and human activities. Hence, further research is required to fully elucidate flow characteristics of some of those very unique local winds. In this study, important characteristics of observed vertical velocity profiles along the main wind direction for the gusty Bora wind blowing along the eastern Adriatic coast are presented. Commonly used empirical power-law and the logarithmic-law profiles are compared against unique 3-level high-frequency Bora measurements. The experimental data agree well with the power-law and logarithmic-law approximations. An interesting feature observed is a decrease in the power-law exponent and aerodynamic surface roughness length, and an increase in friction velocity with increasing Bora wind velocity. This indicates an urban-like velocity profile for smaller wind velocities and rural-like velocity profile for larger wind velocities, which is due to a stronger increase in absolute velocity at each of the heights observed as compared to the respective velocity gradient (difference in average velocity among two different heights). The trends observed are similar during both the day and night. The thermal stratification is near neutral due to a strong mechanical mixing. The differences in aerodynamic surface roughness length are negligible for different time averaging periods when using the median. For the friction velocity, the arithmetic mean proved to be independent of the time record length, while for the power-law exponent both the arithmetic mean and the median are not influenced by the time averaging period. Another issue is a large difference in aerodynamic surface roughness length when calculating using the arithmetic mean and the median. This indicates that the more robust median is a more suitable parameter to determine the aerodynamic surface roughness length than the arithmetic mean value. Variations in velocity profiles at the same site during different wind periods are interesting because, in the engineering community, it has been commonly accepted that the aerodynamic characteristics at a particular site remain the same during various wind regimes.
Yi, Chaeyeon;Kwon, Tae Heon;Park, Moon-Soo;Choi, Young Jean;An, Seung Man
Atmosphere
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v.25
no.2
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pp.339-351
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2015
The purpose of this study is for the fundamental understandings about building morphological parameters and aerodynamic roughness parameters of Seoul, Korea using the detailed urban geographic information datasets. Applied roughness parameter calculations are based on a digital map of buildings with lot area polygons. The quality of the developed roughness length ($z_0$) of Seoul was evaluated with densely installed 107 automatic weather stations. The correlation coefficient results between averaged wind speeds of AWS data and averaged $z_0$ is -0.303 in night and -0.398 in day (200 m radii circles case). Further $z_0$ enhancement should follow by considering other surface features such as high tree and orography of Seoul. However, this study would meet the needs to for local- or meso-scale meteorological modeling applications of Seoul. However, further studies would require for enhancing the $z_0$ applications of Seoul.
Journal of Korean Society for Geospatial Information Science
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v.19
no.4
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pp.145-151
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2011
Evapotranspiration (ET) is an important process acrossa wide range of disciplines, including ecology, hydrology and meteorology.In this study, daily actual evapotranspiration (ETa) is based energy balance equation and considering high surface roughness length to estimate. This study was used variety of satellite data and ground observation data in Korea Peninsula from 1 January to 31 December 2009. In this study, sensible heat flux is one of the important parameters of ETa. Measurements of sensible heat flux are, however, complex and can't be easily obtained. So this study was used an empirical coefficient B to simplify estimate of sensible heat flux. The coefficient B in the ETa model requires a careful definition of aerodynamic resistance. So this study proposed ETa model considering aerodynamic resistance and high surface roughness length. This study was conducted validation in comparison of the proposed daily ETa results with Priestley-Taylor ETp.
Marquardt method is used to estimate the aerodynamic parameters in urban area of Beijing City, China, including displacement length (d), roughness length ($z_0$) and friction velocity (u*) and drag coefficient. The surface drag coefficient defined as the ratio between friction velocity and mean wind speed is 0.125 in our research, which is close to typical urban area value. The averaged d and $z_0$ are 1.2 m and 7.6 m. d and $z_0$ change with direction because of the surface heterogeneity over urban surface and reach their maximum values at S-SW sector, this tendency agrees with the surface rough element distribution around the observation tower.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.6
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pp.2083-2099
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1991
An experiment has been carried out to investigate the aerodynamic effect of surface roughness on the characteristics of the turbulent separation and reattaching flow downstream of a backward-facing step. The distributions of boundary layer parameters, forward-flow fraction and turbulent stresses in the region near the reattachment point are measured with a split film sensor. It is demonstrated that the streamwise distributions of the forward-flow fraction in the recirculation and reattachment regions are similar, independent of the roughness. The reattachment length is found to be only weakly affected by the roughness. It is also shown that the velocity profile on the rough surface approaches to that of the equilibrium turbulent boundary layer faster than that on the smooth surface in the redeveloping region after reattachment.
Vertical profiles of mean and fluctuating wind velocities over water waves were studied, by performing Large-Eddy Simulations (LES) on a fully developed turbulent boundary layer over simplified water waves. The water waves were simplified to two-dimensional, periodic and non-evolving. Different wave steepness defined by $a/{\lambda}$ (a : wave amplitude; ${\lambda}$ : wavelength) and wave age defined by $c/U_b$ (c: phase velocity of the wave; $U_b$ : bulk velocity of the air) were considered, in order to elaborate the characteristics of mean and fluctuating wind profiles. Results shows that, compared to a static wave, a moving wave plays a lesser aerodynamic role as roughness as it moves downstream slower or a little faster than air, and plays more aerodynamic roles when it moves downstream much faster than air or moves in the opposite direction to air. The changes of gradient height, power law index, roughness length and friction velocity with wave age and wave amplitude are presented, which shed light on the wind characteristics over real sea surfaces for wind engineering applications.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.36
no.3
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pp.349-359
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2016
In order to analytically evaluate buffeting responses, the analysis of wind characteristics such as turbulence intensity, turbulence length, gust, roughness coefficient, etc must be a priority. Static aerodynamic force coefficients, flutter coefficients, structural damping ratios, aerodynamic damping ratios and natural frequencies affect the analytical responses. The bridge interested in this paper has being been used for 32 years. As the time passes, current terrain conditions around the bridge are different markedly from the conditions it was built 32 years ago. Also, wind environments were considerably varied by the climate change. For this reason, it is necessary to evaluate the turbulence intensity, length, spectrum and roughness coefficient of the bridge site from full-scale measurements using the structural health monitoring system. The evaluation results indicate that wind characteristics of bridge site is analogous to that of open terrain although the bridge is located on the coastal area. To calculate buffeting responses, the analysis variables such as damping ratios, static aerodynamic force coefficients and natural frequency were evaluated from measured data. The analysis was performed with regard to 4 cases. The evaluated variables from measured data are applied to the first and second analysis cases. And the other analysis cases were performed based on Design Guidelines for Steel Cable Supported Bridges. The calculated responses of each analysis cases are compared with the buffeting response measured at less than 25m/s wind speed. It is verified that the responses by the numerical analysis applying the estimated variables based on full-scale measurements are well agreed with the measured actual buffeting responses under wind speed 25m/s. Also, the extreme wind speed corresponding to a recurrence interval 200 years is derived from Gumbel distribution. The derived wind speed for return period of 200 years is 45m/s. Therefore the buffeting responses at wind speed 45m/s is determined by the analysis applying the estimated variables.
A wind tunnel consisting of two air flow conditioners with polycarbonate pipes, a plant growth room, a suction fan and fan controller, and fluorescent lamps, was designed to investigate the interactions between the growth of plug seedlings under artificial light and their Physical environments. Light transmissivities in the plant growth room based on the photosynthetic photon flux density and photosynthetically active radiation was appeared to be 96.3% and 96.8%, respectively. Measurement showed a uniformity in the vertical profiles of air current speed at the middle and rear regions of plug trays in wind tunnel. This result indicated that the development of a wind tunnel based on the design criteria of the American Society of Mechanical Engineers was adequate. Air current speed inside the plug stand was significantly decreased due to the resistance by the leaves of plug seedlings and boundary layer developed over and below the plug stand. Driving force to facilitate the diffusion of gas inside the plug stand might be regarded as extremely low. Aerodynamic characteristics above the plug stand under artificial light were investigated. As the air current speed increased, zero plane displacement decreased but roughness length and frictional velocity increased. Zero plane displacement linearly increased with the average height of plug seedlings. The wind tunnel developed in this study would be useful to investigate the effects of air current speed on the microclimate over and inside the plug stand and to collect basic data for a large-scale plug production under artificial light in a semi-closed ecosystem.
Lepri, Petra;Vecenaj, Zeljko;Kozmar, Hrvoje;Grisogono, Branko
Wind and Structures
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v.24
no.6
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pp.579-611
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2017
Bora is a strong, usually dry temporally and spatially transient wind that is common at the eastern Adriatic Coast and many other dynamically similar regions around the world. One of the Bora main characteristics is its gustiness, when wind velocities can reach up to five times the mean velocity. Bora often creates significant problems to traffic, structures and human life in general. In this study, Bora velocity and near-ground turbulence are studied using the results of three-level high-frequency Bora field measurements carried out on a meteorological tower near the city of Split, Croatia. These measurements are analyzed for a period from April 2010 until June 2011. This rather long period allows for making quite robust and reliable conclusions. The focus is on mean Bora velocity, turbulence intensity, Reynolds shear stress and turbulence length scale profiles, as well as on Bora velocity power spectra and thermal stratification. The results are compared with commonly used empirical laws and recommendations provided in the ESDU 85020 wind engineering standard to question its applicability to Bora. The obtained results report some interesting findings. In particular, the empirical power- and logarithmic laws proved to fit mean Bora velocity profiles well. With decreasing Bora velocity there is an increase in the power-law exponent and aerodynamic surface roughness length, and simultaneously a decrease in friction velocity. This indicates an urban-like velocity profile for smaller wind velocities and a rural-like velocity profile for larger wind velocities. Bora proved to be near-neutral thermally stratified. Turbulence intensity and lateral component of turbulence length scales agree well with ESDU 85020 for this particular terrain type. Longitudinal and vertical turbulence length scales, Reynolds shear stress and velocity power spectra differ considerably from ESDU 85020. This may have significant implications on calculations of Bora wind loads on structures.
Journal of the Korean Institute of Landscape Architecture
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v.43
no.3
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pp.101-113
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2015
The purpose of this study is increasing ventilation network usability for urban green space planning by enhancing its practicality and detail. A ventilation network feature extraction technique using roughness length($z_0$) was proposed. Continuously surfaced DZoMs generated from $z_0$(cadastral unit) using three interpolations(IDW, Spline, and Kriging) were compared to choose the most suitable interpolation method. Ventilation network features were extracted using the most suitable interpolation technique and studied with land cover and land surface temperature by spatial overlay comparison. Results show Kriging is most suitable for DZoM and feature extraction in comparison with IDW and Spline. Kriging based features are well fit to the land surface temperature(Landsat-7 ETM+) on summer and winter nights. Noteworthy is that the produced ventilation network appears to mitigate urban heat loads at night. The practical use of proposed ventilation network features are highly expected for urban green space planning, though strict validation and enhancement should follow. (1) $z_0$ enhancement, (2) additional ventilation network interpretation and editing, (3) linking disconnected ventilation network features, and (4) associated dataset enhancement with data integrity should technically preceded to enhance the applicability of a ventilation network for green space planning. The study domain will be expanded to the Seoul metropolitan area to apply the proposed ventilation network to green space planning practice.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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