Bridge hanger vibrations have been reported under icy conditions. In this paper, the results from a series of static and dynamic wind tunnel tests on a circular cylinder representing a bridge hanger with simulated thin ice accretions are presented. The experiments focus on ice accretions produced for wind perpendicular to the cylinder at velocities below 30 m/s and for temperatures between $-5^{\circ}C$ and $-1^{\circ}C$. Aerodynamic drag, lift and moment coefficients are obtained from the static tests, whilst mean and fluctuating responses are obtained from the dynamic tests. The influence of varying surface roughness is also examined. The static force coefficients are used to predict parameter regions where aerodynamic instability of the iced bridge hanger might be expected to occur, through use of an adapted theoretical 3-DOF quasi-steady galloping instability model, which accounts for sectional axial rotation. A comparison between the 3-DOF model and the instabilities found through two degree-of-freedom (2-DOF) dynamic tests is presented. It is shown that, although there is good agreement between the instabilities found through use of the quasi-steady theory and the dynamic tests, discrepancies exist-indicating the possible inability of quasi-steady theory to fully predict these vibrational instabilities.
Cristoforo Demartino;Zhen Sun;Giulia Matteoni;Christos T. Georgakis
Wind and Structures
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v.37
no.1
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pp.57-78
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2023
In this study, a generalized three-degree-of-freedom (3-DoF) analytical model is formulated to predict linear aerodynamic instabilities of a prism under quasi-steady (QS) conditions. The prism is assumed to possess a generic cross-section exposed to turbulent wind flow. The 3-DoFs encompass two orthogonal horizontal directions and rotation about the prism body axis. Inertial coupling is considered to account for the non-coincidence of the mass center and the rotation center. The aerodynamic force coefficients-drag, lift, and moment-depend on the Reynolds number based on relative flow velocity, angle of attack, and the angle between the wind and the cable. Aerodynamic forces are linearized with respect to the static equilibrium configuration and mean wind velocity. Routh-Hurwitz and Liénard and Chipart criteria are used in the eigenvalue problem, yielding an analytical solution for instabilities in galloping and static divergence types. Additionally, the minimum structural damping and stiffness required to prevent these instabilities are numerically determined. The proposed 3-DoF instability model is subsequently applied to a conductor with ice accretion and a full-scale dry inclined cable. In comparison to existing models, the developed model demonstrates superior prediction accuracy for unstable regions compared with results in wind tunnel tests.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.14
no.1
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pp.46-57
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2013
Flutter stability and buffeting response have been the topics of most concern in the design state of long-span suspension bridges. Among approaches towards the aerodynamic stability, the aerodynamic-based control method which uses control surfaces to generate forces counteracting the unstable excitations has shown to be promising. This study focused on the mechanically controlled system using flaps; two flaps were attached on both sides of a bridge deck and were driven by the motions of the bridge deck. When the flaps moved, the overall cross section of the bridge deck containing these flaps was continuously changing. As a consequence, the aerodynamic forces also changed. The efficiency of the control was studied through the numerical simulation and experimental investigations. The values of quasi-steady forces, together with the experimental aerodynamic force coefficients, were proposed in the simulation. The results showed that the passive flap control can, with appropriate motion of the flaps, solve the aerodynamic instability. The efficiency of the flap control on the full span of a simple suspension bridge was also carried out. The mode-by-mode technique was applied for the investigation. The results revealed that the efficiency of the flap control relates to the mode number, the installed location of the flap, and the flap length.
This paper is devoted to the non linear quasi-steady aerodynamic loading. A linear approximation is often used to compute the response of structures to buffeting forces. Some researchers have however shown that it is possible to account for the non linearity of this loading. This non linearity can come (i) from the squared velocity or (ii) from the shape of the aerodynamic coefficients (as functions of the wind angle of attack). In this paper, it is shown that this second origin can have significant implications on the design of the structure, particularly when the non linearity of the aerodynamic coefficient is important or when the transverse turbulence is important.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.10
no.2
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pp.23-33
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2009
The inherent aeromechanical complexity of a rotor system necessitated the comprehensive analysis code for helicopter rotor system. In the present study, an aerodynamic analysis module has been developed as a part of rotorcraft comprehensive program. Aerodynamic analysis module is largely classified into airload calculation routine and inflow analysis routine. For airload calculation, quasi-steady analysis model is employed based on the blade element method with the correction of unsteady aerodynamic effects. In order to take unsteady effects - body motion effects and dynamic stall - into account, aerodynamic coefficients are corrected by considering Leishman-Beddoes's unsteady model. Various inflow models and vortex wake models are implemented in the aerodynamic module to consider wake induced inflow. Specifically, linear inflow, dynamic inflow, prescribed wake and free wake model are integrated into the present module. The aerodynamic characteristics of each method are compared and validated against available experimental data such as Elliot's induced inflow distribution and sectional normal force coefficients of AH-1G. In order to validate unsteady aerodynamic model, 2-D unsteady model for NACA0012 airfoil is validated against aerodynamic coefficients of McAlister's experimental data.
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.
Inclined and yawed circular cylinder is an essential element in the widespread range of structures. As one of the applications, cables on bridges were reported to have the possibility of suffering a kind of large amplitude vibration called dry galloping. In order to have a detailed understanding of the aerodynamics related to dry galloping, this study carried out a set of wind tunnel tests for the inclined and yawed circular cylinders. The aerodynamic coefficients of circular cylinders with three surface configurations, including smooth, dimpled pattern and helical fillet are tested using the force balance under a wide range of inclination and yaw angles in the wind tunnel. The Reynolds number ranges from $2{\times}10^5$ to $7{\times}10^5$ during the test. The influence of turbulence intensity on the drag and lift coefficients is corrected. The effects of inclination angle yaw angle and surface configurations on the aerodynamic coefficients are discussed. Adopting the existed the quasi-steady model, the nondimensional aerodynamic damping parameters for the cylinders with three kinds of surface configurations are evaluated. It is found that surface with helical fillet or dimpled pattern have the potential to suppress the dry galloping, while the latter one is more effective.
A finite element aerodynamic model that can be used to analyse flutter instability of long span bridges in the time domain is presented. This approach adopts a simplified quasi-steady formulation of the wind forces neglecting the vortex shedding effects. The governing equations used are effective only for reduced velocities $V^*$ sufficiently great: this is generally acceptable for long-span suspension bridges and, then, the dependence of the wind forces expressions of the flutter derivatives can be neglected. The procedure describes the mechanical response in an accurate way, taking into account the non-linear geometry effects (large displacements and large strains) and considering also the compressed locked coil strands instability. The time-dependence of the inertia force due to fluid structure interaction is not considered. The numerical examples are performed on the three-dimensional finite element model of the Great Belt East Bridge (DK). A mode frequency analysis is carried out to validate the model and the results show good agreement with the experimental measurements of the full bridge aeroelastic model in the wind tunnel tests. Significant parameters affecting bridge response are introduced and accurately investigated.
When first commissioned, the 1.6 km span 275kV Severn Crossing Conductor experienced large amplitude vibrations in certain wind conditions, but without ice or rain, leading to flashover between the conductor phases. Wind tunnel tests undertaken at the time identified a major factor was the lift generated in the critical Reynolds number range in skew winds. Despite this insight, and although a practical solution was found by wrapping the cable to change the aerodynamic profile, there remained some uncertainty as to the detailed excitation mechanism. Recent work to address the problem of dry inclined cable galloping on cable-stayed bridges has led to a generalised quasi-steady galloping formulation, including effects of the 3D geometry and changes in the static force coefficients in the critical Reynolds number range. This generalised formulation has been applied to the case of the Severn Crossing Conductor, using data of the static drag and lift coefficients on a section of the stranded cable, from the original wind tunnel tests. Time history analysis has then been used to calculate the amplitudes of steady state vibrations for comparison with the full scale observations. Good agreement has been obtained between the analysis and the site observations, giving increased confidence in the applicability of the generalised galloping formulation and providing insight into the mechanism of galloping of yawed and stranded cables. Application to other cable geometries is also discussed.
Solar-powered unmanned aerial vehicles(SPUAV), which are being actively developed domestically and internationally, generally feature high aspect ratio(AR) wings. These high AR wings necessitate a lightweight design as their weight increases, rendering them susceptible to flutter. Consequently, flutter analysis is critical from the initial design phase. Typically, flutter analysis is conducted using a standard section wing or more precisely through a 3D model. However, due to the extended analysis time required by 3D models, this study opts for a 2D aircraft model. The 2D model computes faster than the 3D model and intuitively secures the flutter boundary. In this study, a structural/aerodynamic force model of the 2D aircraft was established, and the findings were compared with those from a 3D half model. The results showed that the flutter analysis between the 2D model and the 3D half model was similar, within about a 3% margin, thus validating the proposed 2D model's effectiveness.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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