This study investigates the use of time-frequency coherence analysis for detecting and evaluating coherent "structures" of surface pressures and wind turbulence components, simultaneously on the time-frequency plane. The continuous wavelet transform-based coherence is employed in this time-frequency examination since it enables multi-resolution analysis of non-stationary signals. The wavelet coherence quantity is used to identify highly coherent "events" and the "coherent structure" of both wind turbulence components and surface pressures on rectangular prisms, which are measured experimentally. The study also examines, by proposing a "modified" complex Morlet wavelet function, the influence of the time-frequency resolution and wavelet parameters (i.e., central frequency and bandwidth) on the wavelet coherence of the surface pressures. It is found that the time-frequency resolution may significantly affect the accuracy of the time-frequency coherence; the selection of the central frequency in the modified complex Morlet wavelet is the key parameter for the time-frequency resolution analysis. Furthermore, the concepts of time-averaged wavelet coherence and wavelet coherence ridge are used to better investigate the time-frequency coherence, the coherently dominant events and the time-varying coherence distribution. Experimental data derived from physical measurements of turbulent flow and surface pressures on rectangular prisms with slenderness ratios B/D=1:1 and B/D=5:1, are analyzed.
The stabilization characteristics of diffusion flame formed in the wake of a cylindrical flame holder were investigated. Distribution of turbulence intensity, concentration distribution of combustion gas, and ion currents were measured. The turbulence intensity in the wake of cylindrical- game holder is increased with increase of diameter or blockage ratio of grid. If the auxiliary fuel is injected into recirculation zone, the concentration of $C_3H_8$ is high, but the concentration of $CO_2$ is low at the boundary of recirculation zone. The region with highest average value of ion currents in the middle of flame is moved to the upstream side by the turbulent components of main stream. The flame mass with partially active reaction is moved fast for uniform flow and turbulence generator G3, but the flame mass with relatively slow reaction is moved slowly for turbulence generator G1.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.28
no.2
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pp.118-131
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1991
The effects of free surface on vortex shedding phenomena around a bluff body were studied by both numerical simulation and flow visualization experiments. A vortex method, which approximates the vorticity field as the sum of discrete vortices; was used for the numerical simulation. Flow visualization experiments were performed in the KRISO cavitation tunnel. Hydrogen bubble was used as illumination material. Free surface elevation was also measured during experiments. The hydrodynamic drag and lift were predicted by numerical simulation. The predicted period of vortex shedding was compared with the results of experiments.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.29
no.4
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pp.391-398
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2005
In this investigation, turbulent premixed combustion and flame front propagation in a gas turbine combustion chamber is studied. Direct numerical simulation of turbulent reacting flows demands extremely high computational resources, especially in more complicated geometry. The alternative choice may be left for Large Eddy Simulation (LES) by which only large scales are solved directly. In combustion problems, capturing the large scales' behavior without solving the details of small scales is a difficult task. Using a transport equation for description of the flame front propagation and therefore avoiding the calculation of inner flame structure is the basic idea of this study. For this purpose. the so-called G-equation has been used by which any iso-level of the G variable provides the flame location. A comparison with the experiment indicates that the present method can predict a turbulent velocity field and also capture a instantaneous 3-dimensional flame structure.
This paper deals with the development of variable-node element and its application to the adaptive h-version mesh refinement-recovery for the incompressible viscous flow analysis. The element which has variable mid-side nodes can be used in generating the transition zone between the refined and unrefined element and efficiently used for the construction of a refined mesh without generating distorted elements. A modified Guassian quadrature is needed to evaluate the element matrices due to the discontinuity of derivatives of the shape functions used for the element. The penalty function method which can reduce the number of the independent variables is adopted for the purpose of computational efficiency and the selective reduced integration is carried out for the convection and pressure terms to preserve the stability of solution. For the economical analysis of transient problems in which the locations to be refined are changed in accordance with the dynamic distribution of velocity gradient, not only the mesh refinement but also the mesh recovery is needed. The numerical examples show that the optimal mesh for the finite element analysis of a wind around the structures can be obtained automatically by the proposed scheme.
Wall functions have been widely used in computational fluid dynamics (CFD) simulations and can save significant computational costs compared to other near-wall flow treatment strategies. However, most of the existing wall functions were based on the asymptotic characteristics of near-wall flow quantities, which are inapplicable in complex and non-equilibrium flows. A modified wall function is thus derived in this study based on flow over a plate at zero-pressure gradient, instead of on the basis of asymptotic formulations. Turbulent kinetic energy generation ($G_P$), dissipation rate (${\varepsilon}$) and shear stress (${\tau}_{\omega}$) are composed together as the near-wall expressions. Performances of the modified wall function combined with the nonlinear realizable k-${\varepsilon}$ turbulence model are investigated in homogeneous equilibrium atmosphere boundary layer (ABL) and flow around a 6 m cube. The computational results and associated comparisons to available full-scale measurements show a clear improvement over the standard wall function, especially in reproducing the boundary layer flow. It is demonstrated through the two case studies that the modified wall function is indeed adaptive and can yield accurate prediction results, in spite of its simplicity.
Johannes Strecha;Stanislav Pospisil;Herbert Steinruck
Wind and Structures
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v.39
no.1
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pp.31-45
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2024
This paper examines the flow characteristics around an inclined prism with a U-shaped cross-section ("U-profile") and investigates the connection between the flow and flow-induced vibrations. The study employs a combined approach that involves wind tunnel experiments and computational fluid dynamics (CFD) using an unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence model. Distinct vortex formation patterns are observed in the flow field surrounding the stationary inclined profile. When the cavity of the profile faces away from the incoming flow, large vortices develop behind the profile. Conversely, when the cavity is oriented towards the oncoming flow, these vortices form within the cavity. Notably, due to the slow movement of these large vortices through the cavity, the frequency at which vortices are shed in the negative inclination case is lower compared to the positive inclination, where they form in the wake. Wind tunnel experiments reveal an intermittent transition between the two vortex formation patterns at zero inclination. Large vortices sporadically emerge both in the cavity and behind the profile. The simulation results demonstrate that when these large vortices occur at a frequency close to the structure's natural frequency, they induce prominent pitch vibrations. This phenomenon is also sought after and presented in coupled vibration experiments. Additionally, the simulations indicate that when the natural frequency of the structure is considerably lower than the vortex shedding frequency, this type of vibration can be observed.
Aerodynamic shape optimization is very useful for enhancing the performance of wind-sensitive structures. However, shape parameterization, as the first step in the pipeline of aerodynamic shape optimization, still heavily depends on empirical judgment. If not done properly, the resulting small design space may fail to cover many promising shapes, and hence hinder realizing the full potential of aerodynamic shape optimization. To this end, developing a novel shape parameterization scheme that can reflect real-world complexities while being simple enough for the subsequent optimization process is important. This study proposes a machine learning-based scheme that can automatically learn a low-dimensional latent representation of complex aerodynamic shapes for bluff-body wind-sensitive structures. The resulting latent representation (as design variables for aerodynamic shape optimization) is composed of both discrete and continuous variables, which are embedded in a hierarchy structure. In addition to being intuitive and interpretable, the mixed discrete and continuous variables with the hierarchy structure allow stakeholders to narrow the search space selectively based on their interests. As a proof-of-concept study, shape parameterization examples of tall building cross sections are used to demonstrate the promising features of the proposed scheme and guide future investigations on data-driven parameterization for aerodynamic shape optimization of wind-sensitive structures.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.20
no.5
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pp.671-680
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2007
The objective of this work is to reduce drag on a bluff body within a viscous flow by applying suction or injection of fluid along the surface of the body. In addition to minimizing drag, the optimal solution tends to reduce boundary layer separation and flow recirculation. When discretized by finite elements, the optimal control problem can be posed as a large-scale nonlinearly-constrained optimization problem. The constraints correspond to the discretized form of the Navier-Stokes equations. Unfortunately, solving such large-scale problems directly is essentially intractable. We developed several Sequential Quadratic Programming methods that are tailored to the structure of the control problem. Example problems of laminar flow around an infinite cylinder in two dimensions are solved to demonstrate the methodology. We use these optimal control techniques to study the influence of number of suction/injection holes and location of holes on the resulting optimized flow. We compare the proposed SQP methods against one another, as well as against available methods from the literature, from the point of view of efficiency and robustness. The most efficient of the proposed methods is two orders of magnitude faster than existing methods.
Latif, Usman;Abdullah, Chaudary;Uddin, Emad;Younis, M. Yamin;Sajid, Muhamad;Shah, Samiur Rehman;Mubasha, Aamir
Wind and Structures
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v.26
no.5
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pp.279-292
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2018
Inspired by the energy harvesting eel, a flexible flag behind a D-shape cylinder in a uniform viscous flow was simulated by using the immersed boundary method (IBM) along with low-speed wind tunnel experimentation. The flag in the wake of the cylinder was strongly influenced by the vortices shed from the upstream cylinder under the vortex-vortex and vortex-body interactions. Geometric and flow parameters were optimized for the flexible flag subjected to passive flapping. The influence of length and bending coefficient of the flexible flag, the diameters (D) of the cylinder and the streamwise spacing between the cylinder and the flag, on the energy generation was examined. Constructive and destructive vortex interaction modes, unidirectional and bidirectional bending and the different flapping frequency were found which explained the variations in the energy of the downstream flag. Voltage output and flapping behavior of the flag were also observed experimentally to find a more direct relationship between the bending of the flag and its power generation.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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