수중 압전 에너지 하베스터(Piezoelectric Energy Harvester, PEH) 설계시 곡률변화를 통해 외팔보형 전체의 와류유기진동(Vortex Induced Vibration, VIV)을 생성시키고, VIV의 생성으로 곡면형 외팔보 PEH에 진동 변위가 증가한다는 것은 실제 전력을 증대 시키는 데 중요한 요소이다. 해석 모델인 곡면형 PEH의 재질은 Polyvinyline Di-Floride(PVDF) 압전 필름으로서 곡률이 다양한 50 mm, 130 mm, 210 mm 모델에 유속은 0.1 m/s ~ 0.50 m/s로 정하여 VIV에 의한 PEH의 스트레인 에너지 변화를 관찰하였다. 곡률 반경이 작을수록 큰 폭의 VIV가 나타났고, 유속이 증가할수록 VIV가 많이 나타났다. 작은 곡률로 인한 급격한 형상변환이 VIV의 생성에 효과적이었고 스트레인 에너지, 정규화 발생 전압, 평균 전력 등은 곡률이 증가할수록 감소하였다. PEH 자체의 전력량을 증대시키기 위해 급한경사의 곡률 개선뿐만 아니라 곡률형 PEH의 개수가 늘어남에 따라 평균 전력도 상승할 것으로 사료된다.
DVM (Discrete Vortex Method) is a numerical scheme that handles discrete vortex particles to express continuous vorticity field. This scheme is proper to VIV (Vortex Induced Vibration) analysis because there is no need to generate field grids and VIV is caused by separated vorticity from the body. When DVM is applied to VIV analysis, there are some applicable schemes such as using vortex blobs, integral method for computing induced velocity, etc. In this study, the influences of these schemes are investigated and the practical scheme that is appropriate for VIV analysis is proposed.
Full scale measurement on the structural dynamic characteristics and Vortex-induced Vibrations (VIV) of a long-span suspension bridge with a central span of 1650 m were conducted. Different Finite Element (FE) modeling principles for the separated twin-box girder were compared and evaluated with the field vibration test results, and the double-spine model was determined to be the best simulation model, but certain modification still needs to be made which will affect the basic modeling parameters and the dynamic response prediction values of corresponding wind tunnel tests. Based on the FE modal analysis results, small-scaled and large-scaled sectional model tests were both carried out to investigate the VIV responses, and probable Reynolds Number effects or scale effect on VIV responses were presented. Based on the observed VIV modes in the field measurement, the VIV results obtained from sectional model tests were converted into those of the three-dimensional (3D) full-scale bridge and subsequently compared with field measurement results. It is indicated that the large-scaled sectional model test can probably provide a reasonable and effective prediction on VIV response.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제12권1호
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pp.491-500
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2020
The present study proposes a time domain model for the Vortex-induced Vibration (VIV) simulation of a catenary riser under the combination of the current and oscillatory flow induced by vessel motion. In this model, the hydrodynamic force of VIV comprises excitation force, hydrodynamic damping and added mass, which are taken as functions of the non-dimensional frequency and amplitude ratio. The non-dimensional frequency is related with the response frequency, natural frequency, lock-in range and the fluid velocity. The relatively oscillatory flow induced by vessel motion is taken into account in the fluid velocity. Considering that the added mass coefficient and the non-dimensional frequency can affect each other, an iterative analysis is conducted at each time step to update the added mass coefficient and the natural frequency. This model is in detail validated against the published test models. The results show that the model can reasonably reflect the effect of the added mass coefficient on the VIV, and can well predict the riser's VIV under stationary and oscillatory flow induced by vessel motion. Based on the model, this study carries out the VIV simulation of a catenary riser with harmonic vessel motion. By analyzing the bending moment near the touchdown point, it is found that under the combination of the ocean current and oscillatory flow the vessel motion may decrease the VIV response, while increase the excited frequencies. In addition, the decreasing rate of the VIV under vessel surge is larger than that under vessel heave at small vessel motion velocity, while the situation becomes opposite at large vessel motion velocity.
Since risers have to be operated without being replaced during the design life time after installation, fatigue evaluation as well as strength analysis should be performed. The fatigue life of the riser is known to be dominantly influenced by wave loading and vortex induced vibration (VIV) phenomena. The fatigue life evaluation method and the behavior characteristics of the riser by the wave have been done a lot. Even though the VIV is an important source of fatigue damage for SCR, the evaluation method and behavior characteristics by VIV have not been studied relatively. Most of the S / W for calculating VIV fatigue are a semi-empirical model based on various theoretical models and experiments. For better understanding of VIV response, it is necessary to investigate the effect of parameters which affects the analysis result. This paper summarizes the results of parametric study performed to enhance the understanding of relationship between each parameter and fatigue analysis result.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권2호
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pp.875-882
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2019
The effects of Triangle Groove Strips (TGS) on Vortex-induced Vibration (VIV) suppression of marine riser are numerically investigated using Computational Fluid Dynamics (CFD) method. The range of Reynolds number in simulations is 4.0 × 104 < Re < 1.2 × 105. The two-dimensional unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations and Shear Stress Transport (SST) k-ω turbulence model are used to calculate the flow around marine riser. The Newmark-β method is employed for evaluating the structure dynamics of marine riser. The effect of the height ratio (ε) of TGS on VIV suppression is evaluated. The amplitude responses, frequency responses, vortex patterns and the flow around the structures are discussed in detail. With the increase of the height ratio of TGS, the suppression effect of TGS on VIV suppression is improved firstly and then weakened. When ε=0.04, the suppression effect of TGS is the best. Compared with the VIV responses of smooth marine riser, the amplitude ratio is reduced by 38.9%, the peak of the lift coefficient is reduced by 69% and the peak of the drag coefficient is reduced by 40% when Re=6.0 × 104. With the increase of Reynolds number, the suppression effect of TGS on VIV suppression is improved firstly and then weakened. When the Reynolds number is 7.0 × 104, the amplitude ratio can be reduced by 40.1%. As to the large-amplitude vibration cases, the TGS show nice suppression effect on VIV.
Vortex-induced vibration (VIV) is a significant concern when designing slender structures with square cross sections. VIV strongly depends on structural dynamics and flow states, which depend on the conditions of the approaching flow and shape of a structure. Therefore, the effects of the angle of attack on the coupling effects of VIV for a square cylinder are expected to be significant in practice. In this study, the aerodynamic forces for a fixed and elastically mounted square cylinder were measured using wind pressure tests. Aerodynamic forces on the stationary cylinder are firstly discussed by comparisons of variation of statistical aerodynamic force and wind pressure coefficient with wind angle of attack. The coupling effect between the aerodynamic forces and the motion of the oscillating square cylinder by VIV is subsequently investigated in detail at typical wind angels of attack with occurrence of three typical flow regimes, i.e., leading-edge separation, separation bubble (reattachment), and attached flow. The coupling effect are illustrated by discussing the onset of VIV, characteristics of aerodynamic forces during VIV, and interaction between motion and aerodynamic forces. The results demonstrate that flow states can be classified based on final separation points or the occurrence of reattachment. These states significantly influence coupling effects of the oscillating cylinder. Vibration enhances vortex shedding, which creates strong fluctuations in aerodynamic forces. However, differences in the lock-in range, aerodynamic force, and interaction process for angles of attack smaller and larger than the critical angle of attack revealed noteworthy characteristics in the VIV of a square cylinder.
The prediction of VIV amplitude is essential for the design and fatigue life estimation of steel tubes in tubular transmission towers. Limited to costly and time-consuming traditional experimental and computational fluid dynamics (CFD) methods, a machine learning (ML)-based method is proposed to efficiently predict the VIV amplitude of steel tubes in transmission towers. Firstly, by introducing the first-order mode shape to the two-dimensional CFD method, a simplified response analysis method (SRAM) is presented to calculate the VIV amplitude of steel tubes in transmission towers, which enables to build a dataset for training ML models. Then, by taking mass ratio M*, damping ratio ξ, and reduced velocity U* as the input variables, a Kriging-based prediction method (KPM) is further proposed to estimate the VIV amplitude of steel tubes in transmission towers by combining the SRAM with the Kriging-based ML model. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed methods are demonstrated by using three full-scale steel tubes with C-shaped, Cross-shaped, and Flange-plate joints, respectively. The results show that the SRAM can reasonably calculate the VIV amplitude, in which the relative errors of VIV maximum amplitude in three examples are less than 6%. Meanwhile, the KPM can well predict the VIV amplitude of steel tubes in transmission towers within the studied range of M*, ξ and U*. Particularly, the KPM presents an excellent capability in estimating the VIV maximum amplitude by using the reduced damping parameter SG.
본기자는 지난 12월 7일부터 12월 9일까지 태국 방콕에서 한국, 영국, 중국, 일본, 네덜란드, 말레이시아, 인도, 홍콩, 베트남 인도네시아 등 14개국과 태국 현지 기자 등 총 60여명이 참여한 세계 저널리스트 프로그램에 참석하였다. 이번 저널리스트 프로그램은 세계의 VIV 박람회를 주최하는 VNU 및 태국의 VIV ASIA를 주최하는 NEO(N.C.C. Exhibition Organizer Co., Ltd.)와 국제 무역전시센터 BITEC(Bangkok International Trade and Exhibition Centre)이 VIV ASIA 2005를 홍보하고, 태국의 축산업을 알리기 위한 것으로 VIV ASIA 2005 박람회가 개최될 BITEC 소개, 기자들과 전시업체의 만남, 식품가공업체(CP Group) 견학, 사료공장 및 농장방문 등 다채롭게 진행되었다. 이번 호에는 VIV ASIA 2005이 개최될 BITEC과 참가 전시업체와 저널리스트의 만남에 대하여 정리하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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