In this paper, the fluctuating lift and drag forces on 5:1 rectangular cylinders with two different geometric scales in three turbulent flow-fields are investigated. The study is particularly focused on understanding the influence of the ratio of turbulence integral length scale to structure characteristic dimension (the length scale ratio). The results show that both fluctuating lift and drag forces are influenced by the length scale ratio. For the model with the larger length scale ratio, the corresponding fluctuating force coefficient is larger, while the spanwise correlation is weaker. However, the degree of influence of the length scale ratio on the two fluctuating forces are different. Compared to the fluctuating drag, the fluctuating lift is more sensitive to the variation of the length scale ratio. It is also found through spectral analysis that for the fluctuating lift, the change of length scale ratio mainly leads to the variation in the low frequency part of the loading, while the fluctuating drag generally follows the quasi-steady theory in the low frequency, and the slope of the drag spectrum at high frequencies changes with the length scale ratio. Then based on the experimental data, two empirical formulas considering the influence of length scale ratio are proposed for determining the lift and drag aerodynamic admittances of a 5:1 rectangular cylinder. Furthermore, a simple relationship is established to correlate the turbulence parameter with the fluctuating force coefficient, which could be used to predict the fluctuating force on a 5:1 rectangular cylinder under different parameter conditions.
This paper describes the characteristics of the fluctuating lift forces when a circular cylinder vibrates in the cross-flow direction. The response characteristics on elastically supported the circular cylinder was first examined by a free-vibration test. Next, flow-induced vibrations obtained by the free-vibration test were reproduced by a forced-vibration test, and then the characteristics of the fluctuating lift forces, the work done by the fluctuating lift, the behavior of the rolling-up of the separated shear layers were investigated on the basis of the visualized flow patterns. The main findings were that (i) the fluctuating lift forces become considerably large than those of a stationary circular cylinder, (ii) negative pressure generates on the surface of the circular cylinder when the rolling-up of separated shear layer begins, (iii) the phase between the fluctuating lift force and the cylinder displacement changes abruptly as the reduced velocity $U_r$ increases, and (iv) whether the generating cross-flow vibration becomes divergent or convergent can be described based on the work done by the fluctuating lift force. Furthermore, it was found that the generation of cross-flow vibration can be perfectly suppressed when the small tripping rods are installed on the surface of the circular cylinder.
In this study, The POD technique was applied to the fluctuating wind pressure of high aspect ratio circular cylinder to consider about its organizational structure, and considered about the characteristics of the fluctuating wind force obtained by synthesized the POD modes.
A numerical study based on a delayed detached eddy simulation (DDES) is conducted to investigate the aerodynamic mechanism behind the suppression of vortex-induced vibrations (VIVs) of twin box girders by central grids, which have an inhibition effect on VIVs, as evidenced by the results of section model wind tunnel tests. The mean aerodynamic force coefficients with different attack angles are compared with experimental results to validate the numerical method. Next, the flow structures around the deck and the aerodynamic forces on the deck are analyzed to enhance the understanding of the occurrence of VIVs and the suppression of VIVs by the application of central grids. The results show that shear layers are separated from the upper railings and lower overhaul track of the upstream girder and induce large-scale vortices in the gap that cause periodical lift forces of large amplitude acting on the downstream girder, resulting in VIVs of the bridge deck. However, the VIVs are apparently suppressed by the central grids because the vortices in the central gap are reduced into smaller vortices and become weaker, causing slightly fluctuating lift forces on the deck. In addition, the mean lift force on the deck is mainly caused by the upstream girder, whereas the fluctuating lift force is mainly caused by the downstream girder.
The interaction between two different shaped structures is very important to be understood. Fluid-structure interactions and aerodynamics of a circular cylinder in the wake of a V-shaped cylinder are examined experimentally, including forces, shedding frequencies, lock-in process, etc., with the V-shaped cylinder width d varying from d/D = 0.6 to 2, where D is the circular cylinder diameter. While the streamwise separation between the circular cylinder and V-shaped cylinder was 10D fixed, the transverse distance T between them was varied from T/D = 0 to 1.5. While fluid force and shedding frequency of the circular cylinder were measured using a load cell installed in the circular cylinder, measurement of shedding frequency of the V-shaped cylinder was done by a hotwire. The major findings are: (i) a larger d begets a larger velocity deficit in the wake; (ii) with increase in d/D, the lock-in between the shedding from the two cylinders is centered at d/D = 1.1, occurring at $d/D{\approx}0.95-1.35$ depending on T/D; (iii) at a given T/D, when d/D is increased, the fluctuating lift grows and reaches a maximum before decaying; the d/D corresponding to the maximum fluctuating lift is dependent on T/D, and the relationship between them is linear, expressed as $d/D=1.2+{\frac{1}{e}}T/D$; that is, a larger d/D corresponds to a greater T/D for the maximum fluctuating lift.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.7
no.5
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pp.906-919
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2015
The Deep Draft Semi-Submersible (DDS) concepts are known for their favourable vertical motion performance. However, the DDS may experience critical Vortex-Induced Motion (VIM) stemming from the fluctuating forces on the columns. In order to investigate the current-induced excitation forces of VIM, an experimental study of flow characteristics around four square-section cylinders in a square configuration is presented. A number of column spacing ratios and array attack angles were considered to investigate the parametric influences. The results comprise flow patterns, drag and lift forces, as well as Strouhal numbers. It is shown that both the drag and lift forces acting on the cylinders are slightly different between the various L/D values, and the fluctuating forces peak at L/D = 4.14. The lift force of downstream cylinders reaches its maximum at around ${\alpha}=15^{\circ}$. Furthermore, the flow around circular-section-cylinder arrays is also discussed in comparison with that of square cylinders.
Large Eddy Simulations (LES) were carried out to investigate the aerodynamic characteristics of a rectangular cylinder with side ratio B/D=5 at Reynolds number Re=22,000 (based on cylinder thickness). Particular attention was devoted to the effects of velocity shear in the oncoming flow. Time-averaged and unsteady flow patterns around the cylinder were studied to enhance understanding of the effects of velocity shear. The simulation results showed that the Strouhal number has no significant variation with oncoming velocity shear, while the peak fluctuation frequency of the drag coefficient becomes identical to that of the lift coefficient with increase in velocity shear. The intermittently-reattached flow that features the aerodynamics of the 5:1 rectangular cylinder in non-shear flow becomes more stably reattached on the high-velocity side, and more stably separated on the low-velocity side. Both the mean and fluctuating drag coefficients increase slightly with increase in velocity shear. The mean and fluctuating lift and moment coefficients increase almost linearly with velocity shear. Lift force acts from the high-velocity side to the low-velocity side, which is similar to that of a circular cylinder but opposite to that of a square cylinder under the same oncoming shear flow.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.38
no.10
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pp.859-864
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2014
This experimental study investigates the effects of a downstream cylinder in the wake change on upstream object's diameter. A V-shaped object is placed in the upstream of the test section and a circular cylinder containing a load-cell is placed in the downstream. The velocity distribution of the wake generated from the upstream object with a change in its diameter is investigated. Further, the fluctuation in the lift coefficient and Karman-vortex emission frequency with a change in the position of the downstream cylinder is examined. The study results reveal the following. i) The flow velocity in the wake is smaller than that in the main stream. ii) The lock-in phenomenon occurs when the diameter of the upstream object is larger than that of the downstream cylinder. iii) To generate maximum fluctuating lift force of the downstream cylinder in the wake, the position of the downstream cylinder must be moved with changing diameter of the upstream object together.
Multivariate fluctuating pressures acting on a 2:1 rectangular section (2-D) with dimensions of 9 cm by 4.5 cm has been studied using wind tunnel experiments under uniform and smooth flow condition for various angles of wind incidence. Based on the variation of mean pressure coefficient distributions along the circumference of the rectangular section with angle of wind incidence, and with the aid of skin friction coefficients, three distinct flow regimes with two transition regimes have been identified. Further, variations of mean drag and lift coefficients, Strouhal number with angles of wind incidence have been studied. The applicability of Universal Strouhal number based on vortex street similarity of wakes in bluff bodies to the 2:1 rectangular section has been studied for different angles of wind incidence. The spatio-temporal correlation features of the measured pressure data have been studied using Proper Orthogonal Decomposition (POD) technique. The contribution of individual POD modes to the aerodynamic force components, viz, drag and lift, have been studied. It has been demonstrated that individual POD modes can be associated to different physical phenomena, which contribute to the overall aerodynamic forces.
Two-dimensional Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) was carried out to investigate the uniform flow over a twin-box bridge deck (TBBD) with various gap ratios of L/C=5.1%, 12.8%, 25.6%, 38.5%, 73.3% and 108.2% (L: the gap-width between two girders, C: the chord length of a single girder) at Reynolds number, Re=4×104. The aerodynamic coefficients of the prototype deck with gap ratio of 73.3% obtained from the present simulation were compared with the previous experimental and numerical data for different attack angles to validate the present numerical method. Particular attention is devoted to the fluctuating pressure distribution and forces, shear layer reattachment position, wake velocity and flow pattern in order to understand the effects of gap ratio on dynamic flow interaction with the twin-box bridge deck. The flow structure is sensitive to the gap, thus a change in L/C thus leads to single-side shedding regime at L/C≤25.6%, and co-shedding regime at L/C≥35.8% distinguished by drastic changes in flow structure and vortex shedding. The gap-ratio-dependent Strouhal number gradually increases from 0.12 to 0.27, though the domain frequencies of vortices shedding from two girders are identical. The mean and fluctuating pressure distributions is significantly influenced by the flow pattern, and thus the fluctuating lift force on two girders increases or decreases with increasing of L/C in the single-side shedding and co-shedding regime, respectively. In addition, the flow mechanisms for the variation in aerodynamic performance with respect to gap ratios are discussed in detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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