Thunderstorm downbursts are responsible for numerous structural failures around the world. The wind characteristics in thunderstorm downbursts containing vortex rings differ with those in 'traditional' boundary layer winds (BLW). This paper initially performs an unsteady-state simulation of the flow structure in a downburst (modelled as a impinging jet with its diameter being $D_{jet}$) using a computational fluid dynamics (CFD) method, and then analyses the pressure distribution on a solar updraft tower (SUT) in the downburst. The pressure field shows agreement with other previous studies. An additional pair of low-pressure region and high-pressure region is observed due to a second vortex ring, besides a foregoing pair caused by a primary vortex ring. The evolutions of pressure coefficients at five orientations of two representative heights of the SUT in the downburst with time are investigated. Results show that pressure distribution changes over a wide range when the vortices are close to the SUT. Furthermore, the fluctuations of external static pressure distribution for the SUT case 1 (i.e., radial distance from a location to jet center x=$D_{jet}$) with height are more intense due to the down striking of the vortex flow compared to those for the SUT case 2 (x=$2D_{jet}$). The static wind loads at heights z/H higher than 0.3 will be negligible when the vortex ring is far away from the SUT. The inverted wind load cases will occur when vortex is passing through the SUT except on the side faces. This can induce complex dynamic response of the SUT.
A preceding companion article introduced the slot jet approach for large-scale quasi-steady modelling of a downburst outflow. This article extends the approach to model the time-dependent features of the outflow. A two-dimensional slot jet with an actuated gate produces a gust with a dominant roll vortex. Two designs for the gate mechanism are investigated. Hot-wire anemometry velocity histories and profiles are presented. As well, a three-dimensional, subcloud numerical model is used to approximate the downdraft microphysics, and to compute stationary and translating outflows at high resolution. The evolution of the horizontal and vertical velocity components is examined. Comparison of the present experimental and numerical results with field observations is encouraging.
A physical and numerical steady flow impinging jet has been used to simulate the bulk characteristics of a downburst-like wind field. The influence of downdraft tilt and surface roughness on the ensuing wall jet flow has been investigated. It was found that a simulated downdraft impinging the surface at a non-normal angle has the potential for causing larger structural loads than the normal impingement case. It was also found that for the current impinging jet simulations, surface roughness played a minor role in determining the storm maximum wind structure, but this influence increased as the wall jet diverged. However, through comparison with previous research it was found that the influence of surface roughness is Reynolds number dependent and therefore may differ from that reported herein for full-scale downburst cases. Using the current experimental results an empirical model has been developed for laboratory-scale impinging jet velocity structure that includes the influence of both jet tilt and surface roughness.
Oreskovic, Christopher;Savory, Eric;Porto, Juliette;Orf, Leigh G.
Wind and Structures
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v.26
no.3
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pp.147-161
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2018
For wind engineering applications downbursts are, presently, almost exclusively modeled, both experimentally and numerically, as transient impinging momentum jets (IJ), even though that model contains none of the physics of real events. As a result, there is no connection between the IJ-simulated downburst wind fields and the conditions of formation of the event. The cooling source (CS) model offers a significant improvement since it incorporates the negative buoyancy forcing and baroclinic vorticity generation that occurs in nature. The present work aims at using large-scale numerical simulation of downburst-producing thunderstorms to develop a simpler model that replicates some of the key physics whilst maintaining the relative simplicity of the IJ model. Using an example of such a simulated event it is found that the non-linear scaling of the velocity field, based on the peak potential temperature (and, hence, density) perturbation forcing immediately beneath the storm cloud, produces results for the radial location of the peak radial outflow wind speeds near the ground, the magnitude of that peak and the time at which the peak occurs that match well (typically within 5%) of those produced from a simple axi-symmetric constant-density dense source simulation. The evolution of the downdraft column within the simulated thunderstorm is significantly more complex than in any axi-symmetric model, with a sequence of downdraft winds that strengthen then weaken within a much longer period (>17 minutes) of consistently downwards winds over almost all heights up to at least 2,500 m.
An effective numerical technique to calculate the reactions of a multi-spanned transmission line conductor system, under arbitrary loads varying along the spans, is developed. Such variable loads are generated by High Intensity Wind (HIW) events in the form of tornadoes and downburst. First, a semi-closed form solution is derived to obtain the displacements and the reactions at the ends of each conductor span. The solution accounts for the nonlinearity of the system and the flexibility of the insulators. Second, a numerical scheme to solve the derived closed-form solution is proposed. Two conductor systems are analyzed under loads resulting from HIW events for validation of the proposed technique. Non-linear Finite Element Analyses (FEA) are also conducted for the same two systems. The responses resulting from the technique are shown to be in a very good agreement with those resulting from the FEA, which confirms the technique accuracy. Meanwhile, the semi-closed form technique shows superior efficiency in terms of the required computational time. The saving in computational time has a great advantage in predicting the response of the conductors under HIW events, since this requires a large number of analyses to cover different potential locations and sizes of those localized events.
Codes for structural design usually assume that the incident mean wind velocity is parallel to the ground, which constitutes a valid simplification for frequent winds caused by sypnoptic events. Wind effects due to other phenomena, such as thunderstorm downbursts, are simply neglected. In this paper, results of recent and ongoing research on this topic in Brazil are presented. The model of the three-dimensional wind velocity field originated from a downburst in a thunderstorm (TS), proposed by Ponte and Riera for engineering applications, is first described. This model allows the generation of a spatially and temporally variable velocity field, which also includes a fluctuating component of the velocity. All parameters are related to meteorological variables, which are susceptible of statistical assessment. An application of the model in the simulation of the wind climate in a region sujected to both EPS and TS winds is discussed next. It is shown that, once the relevant meteorological variables are known, the simulation of the wind excitation for purposes of design of transmission lines, long-span crossings and similar structures is feasible. Complementing the theoretical studies, wind velocity records during a recent TS event in southern Brazil are presented and preliminary conclusions on the validity of the proposed models discussed.
Wind action is a factor of fundamental importance in the structural design of light or slender constructions. Codes for structural design usually assume that the incident mean wind velocity is parallel to the ground, which constitutes a valid simplification for frequent winds caused by meteorological phenomena such as Extratropical Storms (EPS) or Tropical Storms. Wind effects due to other phenomena, such as thunderstorms, and its combination with EPS winds in so-called squall lines, are simply neglected. In this paper a model that describes the three-dimensional wind velocity field originated from a downburst in a thunderstorm (TS) is proposed. The model is based on a semi empirical representation of an axially-symmetrical flow line pattern that describes a stationary field, modulated by a function that accounts for the evolution of the wind velocity with time. The model allows the generation of a spatially and temporally variable velocity field, which also includes a fluctuating component of the velocity. All parameters employed in the model are related to meteorological variables, which are susceptible of statistical assessment. A background wind is also considered, in order to account for the translational velocity of the thunderstorm, normally due to local wind conditions. When the translation of the TS is caused by an EPS, a squall line is produced, causing the highest wind velocities associated with TS events. The resulting vertical velocity profiles were also studied and compared with existing models, such as the profiles proposed by Vicroy, et al. (1992) and Wood and Kwok (1998). The present model predicts horizontal velocity profiles that depend on the distance to the storm center, effect not considered by previous models, although the various proposals are globally compatible. The model can be applied in any region of interest, once the relevant meteorological variables are known, to simulate the excitation due to TS winds in the design of transmission lines, long-span crossings, cable-stayed bridges, towers or similar structures.
This article provides a time-resolved characterisation of the wind field in a recently-commissioned, downdraft outflow simulator at The University of Western Ontario. A large slot jet approach to physical simulation was used. The simulator performance was assessed against field observations from a 2002 downdraft outflow near Lubbock, Texas. Outflow wind speed records were decomposed according to classical time series analysis. Length scales, characterising the coarse and fine flow structure, were determined from the time-varying mean and residual components, respectively. The simulated downdraft outflow was approximately 1200 times smaller in spatial extent than the 2002 Lubbock event.
This paper examines the extreme gust profiles obtained by conditionally sampling full-scale velocity data obtained in the lower part of the atmospheric boundary layer. It is demonstrated that three different types of behaviour can be observed in the streamwise component of velocity. In all cases the corresponding vertical velocity component illustrates similar behaviour. An idealised horseshoe vortex model and a downburst model are investigated to examine if such structures can explain the behaviour observed. In addition, an empirical model is developed for an isolated gust corresponding to each of the three types of behaviour observed. It is possible that the division of the gust profile into three different types may lead to an improvement in the correlation of extreme gust events with respect to type.
In, So-Ra;Jung, Sueng-Pil;Shim, JaeKwan;Choi, Byoung-Choel
Journal of the Korean earth science society
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v.37
no.4
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pp.187-199
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2016
The purpose of this study is to investigate the formation mechanism of landspout by using the Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS). The landspout occurred over Ilsan, Goyang City, the Republic of Korea on June 10, 2014 with the damage of a private property. In synoptic environment, a cold dry air on the upper layers of the atmosphere, and there was an advection with warm and humid air in the lower atmosphere. Temperature differences between upper and lower layers resulted in thermal instability. The storm began to arise at 1920 KST and reached the mature stage in ten minutes. The cloud top height was estimated at 9 km and the hook echo was appeared at the rear of a storm in simulation result. Model results showed that the downburst was generated in the developed storm over the Ilsan area. This downburst caused the horizontal flow when it diverged near the surface. The horizontal flow was switched to updraft at the rear of storm, and the rear-flank downdrafts (RFDs) current occurred from simulation result. The RFDs took down the vertical flow to the surface. After then, the vertical vorticity could be generated on the surface in simulation result. Subsequently, the vertical vorticity was stretched to form a landspout. The cyclonic vorticity of echo hook from simulation was greater than $3{\times}10^{-2}s^{-1}$(height of 360 m) and landspout diameter was estimated at 1 km.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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