Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.1
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pp.153-164
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1997
Flame oscillation phenomena in a co-flow diffusion flame was experimentally studied with periodic fuel supply using a solenoid valve. The degree of excitation was controlled by changing the volume flux of fuel passing through the valve. Flame oscillation frequencies were measured utilizing a photodiode, a spectrum analyzer, video and high speed movies. Laser planar visualization was employed to study the correlation between the flame oscillation and the toroidal vortices. Observed are three regimes of flame oscillation, where the oscillation frequencies are for the multiples of excitation, the excitation itself and the flame natural oscillation. Both periods of natural oscillation and of excitation induced oscillation exist over one cycle of the excitation in the frequency multiplied regime. It is considered as an effect of balancing the influence of buoyancy driven vortex with that of excitation induced vortex near the excitation rate of 0.2. Flame shapes are become monotonous as increasing the excitation frequency to the range of over two fold of the natural oscillation. The flame oscillation can be modulated to the frequency of either multiples of excitation or excitation itself under certain conditions. This implies that the flame oscillation could be modulated to avoid the resonance frequency of the combustor, and shows the possibility of active control of the flame oscillation.
The response characteristics and suppression of flow-induced vibrations of rectangular prisms with various width-to-depth ratios were experimentally investigated. The prisms were rigid and elastically mounted at both ends to enable constrained torsional vibrations only. The present study focused on torsional vibrations, one of the three types of flow-induced vibrations generated in a rectangular prism. First, the response characteristics of torsional vibrations generated in rectangular prisms were investigated by free-vibration tests. It was found that the response characteristics of torsional vibrations generated in rectangular prisms could be classified into six patterns depending on the width-to-depth ratio. Next, the response characteristics of torsional vibrations observed in the free-vibration tests were reproduced by forced-vibration tests, and the mechanisms by which the three types of flow-induced vibrations, low-speed torsional flutter, vortex excitation and high-speed torsional flutter, are generated in the rectangular prisms were elucidated on the basis of characteristics of fluid forces and visualized flow patterns. Experiments were also carried out to establish an effective method for suppressing flow-induced vibrations generated in the rectangular prisms, and it was found that low-speed torsional flutter and high-speed torsional flutter could be suppressed by placing a small normal plate upstream of the prism, which results in suppression of the alternating rolling-up of the shear layers separating from the leading edges of the prism. It was also found that vortex excitation could be suppressed by placing a splitter plate downstream of the prism, which results in suppression of the generation of wake vortices.
A series of wind tunnel tests was conducted to investigate the existence of the galloping instability of inclined dry cables and also to Identify the influence of some parameters on it. These parameters are the structural damping and cable surface roughness, which may have significant impact on the vibration characteristics. The test results showed both the divergent type of galloping instability and the limited amplitude high wind speed vortex shedding excitation. Galloping instability was observed in only one case. Parametric study shows that the vortex shedding oscillation can be easily suppressed with an increase of structural damping. It was also shown that the instability criterion indicated by earlier research was too conservative compared to the results obtained from the present study.
In this paper a novel and efficient computational framework to estimate the stress range versus number of cycles curves experienced by a cable due to external excitations (e.g., seismic excitations, traffic and wind-induced vibrations, among others) is proposed. This study is limited to the wind-cable interaction governed by the Vortex Shedding mechanism which mainly rules cables vibrations at low amplitudes that may lead to their failure due to bending fatigue damage. The algorithm relies on a stochastic approach to account for the uncertainties in the cable properties, initial conditions, damping, and wind excitation which are the variables that govern the wind-induced vibration phenomena in cables. These uncertainties are propagated adopting Monte Carlo simulations and the concept of importance sampling, which is used to reduce significantly the computational costs when new scenarios with different probabilistic models for the uncertainties are evaluated. A high fidelity cable model is also proposed, capturing the effect of its internal wires distribution and helix angles on the cables stress. Simulation results on a 15 mm diameter high-strength steel strand reveal that not accounting for the initial conditions uncertainties or using a coarse wind speed discretization lead to an underestimation of the stress range experienced by the cable. In addition, parametric studies illustrate the computational efficiency of the algorithm at estimating new scenarios with new probabilistic models, running 3000 times faster than the base case.
This paper predicts the combined resonance behavior of the truncated conical shells (TCSs) under transverse and parametric coupled excitation. The motion governing equation is formulated in the framework of high-order shear deformation theory, von Kármán theory and Hamilton principle. The displacements and boundary conditions are characterized by a set of displacement shape functions with double Fourier series. Subsequently, the method of varying amplitude (MVA) is utilized to derive the approximate analytical solution of system response of TCSs. A comparative analysis is conducted to verify the accuracy of the current computational method. Additionally, the interaction mechanism of combined resonance, parametric resonance and primary resonance is examined. And the effect of damping coefficient, the external excitation, initial phase, axial motion speed, temperature variation, humidity variation, material properties and semi-vortex angle on the vibration mechanism are analyzed.
In this study, the static and modal analyses to find the characteristic of eigenvalues for a towed cable were with a free boundary condition at the bottom end carried out with numerical study. The resulting numerical code with finite element method was used to study sample problems for a cable with towing speeds. After tracing the equilibrium state with a towing speed through the static analysis, modal analysis on the basis of static results was performed. The static top tension for a critical towing speed is nearly 50 percent of what it was for a free hanging pipe. From static analyses, it is found that towing speed has a noticeable effect on top tension of a towed pipe. At a high towing speed, differences between the first and second periods become larger. Compared to the fundamental period for a free hanging pipe, that for a towed pipe with a critical towing speed is approximately 1.4 times larger. This result is very important point in that the lock in condition and tension of the towed cable system with top excitation can be predicted. The corrected close form solution to solve natural periods for a towed cable was presented in this study. The code is validated by comparison of the results of theoretical and numerical studies. Two results were in very good agreement. This study can contribute to predicting the lock-in condition and tension for a towed cable or pipe with top excitation.
Cheng, Shaohong;Larose, Guy L.;Savage, Mike G.;Tanaka, Hiroshi
Wind and Structures
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v.6
no.3
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pp.197-208
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2003
Galloping instability of dry inclined cables of cable-stayed bridges has been reported by Japanese researchers. A suggested stability criterion based on some experimental studies in Japan implies that many of stay cables would be expected to suffer galloping instability, which, if valid, would cause serious difficulty in the design of cable-stayed bridges. However, this is not the case in reality. Thus, it is practically urgent and necessary to confirm the validity of this criterion and possible restriction of it. In the present study, a 2D sectional cable model was tested in the wind tunnel, and effects of various physical parameters were investigated. It is found that the stability criterion suggested by Japanese researchers is more conservative than the results obtained from the current study.
The excessive wind-induced motion of tall buildings most frequently result from vortex-shedding-induced across-wind oscillations. This form of excitation is most pronounced for relatively flexible, lightweight, and lightly damped high-rise buildings with constant cross-sections. This paper discusses the aerodynamic means ofmitigating the across-wind vortex shedding induced in such situations. Openings are added in both the drag and lift directions in the buildings to provide pressure equalization. Theytend to reduce the effectiveness of across-wind forces by reducing their magnitudes and disrupting their spatial correlation. The effects of buildings with several geometries of openings on aerodynamic excitations and displacement responses have been studied for high-rise buildings with square cross-sections and an aspect ratio of 8:1 in a wind tunnel. High-frequency force balance testshave been carried out at the Kumoh National University of Technology using rigid models with 24 kinds of opening shapes. The measured model's aerodynamic excitations and displacement were compared withthose of a square cylinder with no openings to estimate the effectiveness of openings for wind-induced oscillations. From these results, theopening shape, size, and location of buildings to reduce wind-induced vortex shedding and responses were pointed out.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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