International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제7권2호
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pp.301-314
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2015
Aiming at accurately distinguishing modeless component and natural vibration mode terms from data series of nonlinear and non-stationary processes, such as Vortex-Induced Vibration (VIV), a new empirical mode decomposition method has been developed in this paper. The key innovation related to this technique concerns the method to decompose modeless component from non-stationary process, characterized by a predetermined 'maximum intrinsic time window' and cubic spline. The introduction of conceptual modeless component eliminates the requirement of using spurious harmonics to represent nonlinear and non-stationary signals and then makes subsequent modal identification more accurate and meaningful. It neither slacks the vibration power of natural modes nor aggrandizes spurious energy of modeless component. The scale of the maximum intrinsic time window has been well designed, avoiding energy aliasing in data processing. Finally, it has been applied to analyze data series of vortex-induced vibration processes. Taking advantage of this newly introduced empirical decomposition method and mode identification technique, the vibration analysis about vortex-induced vibration becomes more meaningful.
The wind-resistant performance of bridges is generally evaluated based on the strip assumption. For the arch rib of arch bridges, the situation is different due to the curve axis and the variable cross-sectional size. In the construction stage, the arch rib supported by a cable system exhibits flexible dynamic characteristics, and the wind-resistant performance attracts specially attention. To evaluate the wind-induced vibration of an arch rib with the maximum cantilever state, the finite element model was established to compute the structural dynamic characteristics. Then, a three-dimensional (3D) fluid-solid coupling analysis method was realized. After verifying the reliability of the method based on a square column, the wind-induced vibration of the arch rib was computed. The vortex-induced vibration (VIV) performance of the arch rib was focused and the flow field characteristics were discussed to explain the VIV phenomenon. The results show that the arch rib with the maximum cantilever state had the possibility of VIV at high wind speeds but the galloping was not observed. The lock-in wind speeds were larger than the results based on the strip assumption. Due to the vibration of arch rib, the frequency of shedding vortices along the arch axis trended to be uniform.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권2호
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pp.923-938
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2019
Surge motion of top-end platform induced by periodic wave makes marine flexible riser encounter equivalent sheared-oscillatory flow, under which the Vortex-induced Vibration (VIV) response will be more complicated than pure sheared flow or oscillatory flow cases. Based on a time domain force-decomposition model, the VIV response characteristics under sheared-oscillatory flows are investigated numerically in this paper. Firstly, the adopted numerical model is validated well against laboratory experiments under sheared flow and oscillatory flow. Then, 20 sheared-oscillatory flow cases with different oscillation periods and top maximum current velocities are designed and simulated. Under long and short oscillation period cases, the structural response presents several similar features owing to the instantaneous sheared flow profile at each moment, but it also has some different patterns because of the differently varying flow field. Finally, the effects and essential mechanism of oscillation period and top maximum current velocity on VIV response are discussed systematically.
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.
To better understand the vortex-induced vibration (VIV) characteristics of a 5:1 rectangular cylinder, the distribution of aerodynamic force and the non-dimensional power spectral density (PSD) of fluctuating pressure on the side surface were studied in different VIV development stages, and their differences in the stationary state and vibration stages were analyzed. The spanwise and streamwise correlations of surface pressures were studied, and the flow field structure partitions on the side surface were defined based on the streamwise correlation analysis. The results show that the variation tendencies of mean and root mean square (RMS) pressure coefficients are similar in different VIV development stages. The RMS values during amplitude growth are larger than those at peak amplitude, and the smallest RMS values are observed in the stationary state. The spanwise correlation coefficients of aerodynamic lifts increase with increase of the peak amplitude. However, for the lock-in region, the maximum spanwise correlation coefficient for aerodynamic lifts occurs in the VIV rising stage rather than in the peak amplitude stage, probably due to the interaction of vortex shedding force (VSF) and self-excited force (SEF). The streamwise correlation results show that the demarcation point positions between the recirculation region and the main vortex region remain almost constant in different VIV development stages, and the reattachment points gradually move to the tailing edge with increasing amplitude. This study provides a reference to estimate the demarcation point and reattachment point positions through streamwise correlation and phase angle analysis from wind tunnel tests.
The wind tunnel test of large-scale sectional model and computational fluid dynamics (CFD) are employed for the purpose of studying the aerodynamic appendices and mechanism on suppression for the vortex-induced vibration (VIV). This paper takes the HongKong-Zhuhai-Macao Bridge as an example to conduct the wind tunnel test of large-scale sectional model. The results of wind tunnel test show that it is the crash barrier that induces the vertical VIV. CFD numerical simulation results show that the distance between the curb and crash barrier is not long enough to accelerate the flow velocity between them, resulting in an approximate stagnation region forming behind those two, where the continuous vortex-shedding occurs, giving rise to the vertical VIV in the end. According to the above, 3 types of wind fairing (trapezoidal, airfoil and smaller airfoil) are proposed to accelerate the flow velocity between the crash barrier and curb in order to avoid the continuous vortex-shedding. Both of the CFD numerical simulation and the velocity field measurement show that the flow velocity of all the measuring points in case of the section with airfoil wind fairing, can be increased greatly compared to the results of original section, and the energy is reduced considerably at the natural frequency, indicating that the wind fairing do accelerate the flow velocity behind the crash barrier. Wind tunnel tests in case of the sections with three different countermeasures mentioned above are conducted and the results compared with the original section show that all the three different countermeasures can be used to control VIV to varying degrees.
Vortex-Induced-Vibration (VIV) is one kind of the wind-induced vibrations, which may occur in the construction and operation period of bridges. This phenomenon can bring negative effects to the traffic safety or can cause bridge fatigue damage and should be eliminated or controlled within safe amplitudes.In the current VIV studies, one available mitigation countermeasure, the horizontal flow-isolating plate, shows satisfactory performance particularly in PI shaped bridge deck type. Details of the wind tunnel test are firstly presented to give an overall description of this appendage and its control effect. Then, the computational-fluid-dynamics(CFD) method is introduced to investigate the control mechanism, using two-dimensional Large-Eddy-Simulation to reproduce the VIV process. The Reynolds number of the cases involved in this paper ranges from $1{\times}10^5$ to $3{\times}10^5$, using the width of bridge deck as reference length. A field-filter technique and detailed analysis on wall pressure are used to give an intuitive demonstration of the changes brought by the horizontal flow-isolating plate. Results show that this aerodynamic appendage is equally effective in suppressing vertical and torsional VIV, indicating inspiring application prospect in similar PI shaped bridge decks.
Kim, Do Kyun;Wong, Eileen Wee Chin;Lekkala, Mala Konda Reddy
Structural Monitoring and Maintenance
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제6권4호
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pp.365-387
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2019
This study aims to provide useful information on the fatigue assessment of a top-tensioned riser (TTR) subjected to vortex-induced vibration (VIV) by performing parametric study. The effects of principal design parameters, i.e., riser diameter, wall thickness, water depth (related to riser length), top tension, current velocity, and shear rate (or shear profile of current) are investigated. To prepare the base model of TTR for parametric studies, three (3) riser modelling techniques in the OrcaFlex were investigated and validated against a reference model by Knardahl (2012). The selected riser model was used to perform parametric studies to investigate the effects of design parameters on the VIV fatigue damage of TTR. From the obtained comparison results of VIV analysis, it was demonstrated that a model with a single line model ending at the lower flex joint (LFJ) and pinned connection with finite rotation stiffness to simulate the LFJ properties at the bottom end of the line model produced acceptable prediction. Moreover, it was suitable for VIV analysis purposes. Findings from parametric studies showed that VIV fatigue damage increased with increasing current velocity, riser outer diameter and water depth, and decreased with increasing shear rate and top tension of riser. With regard to the effects of wall thickness, it was not significant to VIV fatigue damage of TTR. The detailed outcomes were documented with parametric study results.
선박, 잠수함이 추진하면 수중구조물 후류에 와류가 발생하고 이에 따른 와류기인 구조진동이 유발된다. 최근 선박, 잠수함의 고속화 및 대형화 추세에 따라 고차모드에서 유발되는 와류기인 진동 및 피로파괴에 대한 중요성이 강조되고 있다. 고속 유속환경의 와류는 저속 유속환경 대비 큰 진동을 유발하므로 이에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 수중날개 고차모드에서 유발되는 와류기인 진동을 예측하기 위한 하이브리드 유체구조연성 해석 방법론을 제시하였다. 고차모드를 고려한 하이브리드 유체구조연성 해석을 수행하여 와류기인 진동을 도출하고 실험결과와 비교함으로써 방법론을 검증하였다. 최종적으로 와류기인 진동으로부터 도출된 최대 von Mises 응력을 노르웨이 선급에서 제시한 S-N 선도에 적용함으로써 고차모드 유체구조연성 해석의 효용성을 확인하였다. 고차모드를 고려하여 와류기인 진동응답을 도출할 경우 유체구조연성에 의한 락인(Lock-in) 특성을 확인하였으며 고려하지 않은 경우 대비 진동응답과 최대 von Mises 응력에서 10배 이상의 차이를 보였다. 향후에는 외팔보 경계조건 및 형상에 대한 확장연구가 필요하다.
Long span cross-rope suspension structure is an innovative structural system evolved from typical Cross-Rope Suspension (CRS) guyed tower, a type of supporting system with short span suspension cable supporting overhead power transmission lines. In mountainous areas, the span length of suspension cable was designed to be extended to hundreds or over one thousand meters, which is applicable for crossing deep valleys. Vortex Induced Vibration (VIV) of overhead power transmission lines was considered to be one of the major factors of its fatigue and service life. In this paper, VIV and its controlling by Stockbridge damper for long span CRS was discussed. Firstly, energy balance method and finite element method for assessing VIV of CRS were presented. An approach of establishing FE model of long span CRS structure with dampers was introduced. The effect of Stockbridge damper for overall vibration of CRS was compared in both theoretical and numerical approaches. Results indicated that vibration characteristics of conductor in long span CRS compared with traditional tower-line system. Secondly, analysis on long span CRS including Stockbridge damper showed additional dampers installed were essential for controlling maximum dynamic bending stresses of conductors at both ends. Moreover, factors, including configuration and mass of Stockbridge damper, span length of suspension cable and conductor and number of spans of conductor, were assessed for further discussion on VIV controlling of long span CRS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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