The aim of this paper is to enhance the accuracy of predicting time-averaged external surface pressures on low-rise buildings by utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. To achieve this, benchmark studies of the Silsoe cube and the Texas Tech University (TTU) experimental building are employed for comparison with simulation results. The paper is structured into three main sections. In the initial part, an appropriate domain size is selected based on the precision of mean pressure coefficients on the windward face of the cube, utilizing Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models. Subsequently, recommendations regarding the optimal computational domain size for an isolated building are provided based on revised findings. Moving on to the second part, the Silsoe cube model is examined within a horizontally homogeneous computational domain using more accurate turbulence models, such as Large Eddy Simulation (LES) and hybrid RANS-LES models. For computational efficiency, transient simulation settings are employed, building upon previous studies by the authors at the Windstorm Impact, Science, and Engineering (WISE) Lab, Louisiana State University (LSU). An optimal meshing strategy is determined for LES based on a grid convergence study. Three hybrid RANS-LES cases are investigated to achieve desired enhancements in the distribution of mean pressure coefficients on the Silsoe cube. In the final part, a 1:10 scale model of the TTU building is studied, incorporating the insights gained from the second part. The generated flow characteristics, including vertical profiles of mean velocity, turbulence intensity, and velocity spectra (small and large eddies), exhibit good agreement with full-scale (TTU) measurements. The results indicate promising roof pressures achieved through the careful consideration of meshing strategy, time step, domain size, inflow turbulence, near-wall treatment, and turbulence models. Moreover, this paper demonstrates an improvement in mean roof pressures compared to other state-of-the-art studies, thus highlighting the significance of CFD simulations in building aerodynamics.
Recently the deeply underground tunnels have been increased along the subway railroads of urban area compared to the past subway railroads. The Shin-Gum-Ho subway station (the Fifth lines, the depth : 46m) which is the third among the deep subway stations in the Korea was chosen as the model of deeply underground stations, and attempted to do simulation of fire. This station consists of three entrance, the basement first floor (B1), the basement second floor (B2), the basement eighth floor or platform (B8) and escalators and stairs from B2 to B8. The total number of grid was about 9,000,000 to make simulation of fire and smoke from the platform to entrance in this research, and the grid system was divided into 19 blocks to increase the efficiency of this simulation. The FDS (Fire Dynamics Simulation) was chosen to make the simulation of fire, and the model of turbulent flow was LES (Large Eddy Simulation). Each block is processed in a CPU using parallel processing of MPI (Message Passing Interface). The resource of CPU for this simulation is a ten of Intel 3.0 GHz Dual CPU (20 CPU).
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.11
s.254
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pp.1101-1106
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2006
To investigate a relation between fine scale eddies and particle dispersion in a near-wall turbulence, direct numerical simulations of turbulent channel flow laden particle are performed for $Re_{\tau}$=180. The motions of 0,8 million particles are calculated for several particle response times ($t_p$) which is the particle response time based on stokes’ friction law. The number density of particles has a tendency to increase with approaching the near-wall regions ($y^+$<20) except for cases of very small and large particle response times (i.e. $t_p$=0.02 and 15). Near the wall, the behavior and distribution of particles are deeply associated with the fine scale eddies, and are dependent on particle response times and a distance from the wall. The Stokes number that causes preferential distribution in turbulence is changed by a distance from the wall. The influential Stokes number based on the Burgers' vortex model is derived by using the time scale of the fine scale eddies. The influential Stokes number is also dependent on a distance from the wall and shows large value in the buffer layer.
In order to examine the possibility of using a cavity as a passive device for reduction of skin friction and heat transfer, an intensive parametric study over a broad range of the cavity depth and length at different Reynolds numbers is performed for both laminar and turbulent boundary layers in the present study. Direct and large eddy simulation techniques are used for turbulent boundary layers at low and moderate Reynolds numbers, respectively. for both laminar and turbulent boundary layers over a cavity, a flow oscillation occurs due to the shear layer instability when the cavity depth and length are sufficiently large and it plays an important role in the determination of drag and heat-transfer increase or decrease. For a cavity sufficiently small to suppress the flow oscillation, both the total drag and heat transfer are reduced. Therefore, the applicability of a cavity as a passive device for reduction of drag and heat transfer is fully confirmed in the present study. Scaling based on the wall shear rate of the incoming boundary layer is also proposed and it is found to be valid in steady flow over a cavity.
Fluid temperature fluctuations in a mixing tee pipe were numerically analyzed by LES model in order to clarify internal turbulent flows and to develope an evaluation method for high-cycle thermal fatigue. Hot and cold water with an temperature difference $40^{\circ}C$ were supplied to the mixing tee. Fluid temperature fluctuations in a mixing tee pipe is analysed by using the computational fluid dynamics code, FLUENT, Temperature fluctuations of the fluid and pipe wall measured as the velocity ratio of the flow in the branch pipe to that in the main pipe was varied from 0.05 to 5.0. The power spectrum method was used to evaluate the heat transfer coefficient. The fluid temperature characteristics were dependent on the velocity ratio, rather than the absolute value of the flow velocity. Large fluid temperature fluctuations were occurred near the mixing tee, and the fluctuation temperature frequency was random. The ratios of the measured heat transfer coefficient to that evaluated by Dittus-Boelter's empirical equation were independent of the velocity ratio, The multiplier ratios were about from 4 to 6.
Pounding of structures may result in considerable damages, to the extent of total failure during severe lateral loading events (e.g., earthquakes and wind). With the new generation of tall buildings in densely occupied locations, wind-induced pounding becomes of higher risk due to such structures' large deflections. This paper aims to develop mathematical formulations to determine the maximum pounding force when two adjacent structures come into contact. The study will first investigate wind-induced pounding forces of two equal-height structures with similar dynamic properties. The wind loads will be extracted from the Large Eddy Simulation models and applied to a Finite Element Method model to determine deflections and pounding forces. A Genetic Algorithm is lastly utilized to optimize fitting parameters used to correlate the maximum pounding force to the governing structural parameters. The results of the wind-induced pounding show that structures with a higher natural frequency will produce lower maximum pounding forces than those of the same structure with a lower natural frequency. In addition, taller structures are more susceptible to stronger pounding forces at closer separation distances. It was also found that the complexity of the mathematical formula from optimization depends on achieving a more accurate mapping for the trained database.
The Numerical simulation was performed on the flow field around the two-dimensional rectangular bluff body in order to complement the previous experimental results of the bluff body stabilized flames [1]. For both fuel ejection configurations against an oxidizer stream, the flame stability was affected mainly by vortex structure and mixing field near bluff body. FDS(Fire Dynamic Simulator) based on the LES(Large Eddy Simulation) was employed to clarify the isothermal mixing characteristic and wake flow pattern around bluff body. The air used atmosphere and the fuel used methane. The result of counter flow configuration shows that the flow field depends on air velocity but the mixing field is influenced on the fuel velocity. At low fuel velocity the fuel mole fraction is below the flammable limit and hence the mixing is insufficient to react. Therefore, as the result, the flame formed at low fuel velocity is characterized by non-premixed flames. For the flow field of co-flow configuration, flame stability was affected by fuel velocity as well as air velocity. the vortex generated by fuel stream has counter rotating direction against the air stream. Therefore, the momentum ratio between air and fuel stream was important to decide the flame blow out limit, which is result in the characteristic of the partially premixed reacting wake near extinction.
The along-wind response of a surface-mounted elastic fence under the action of wind was investigated numerically. In the computations, two sets of equations, one for the simulation of the unsteady turbulent flow and the other for the calculation of the dynamic motion of the fence, were solved alternatively. The resulting time-series tip response of the fence as well as the flow fields were analyzed to examine the dynamic behaviors of the two. Results show that the flow is unsteady and is dominated by two frequencies: one relates to the shear layer vortices and the other one is subject to vortex shedding. The resulting unsteady wind load causes the fence to vibrate. The tip deflection of the fence is periodic and is symmetric to an equilibrium position, corresponding to the average load. Although the along-wind aerodynamic effect is not significant, the fluctuating quantities of the tip deflection, velocity and acceleration are enhanced as the fundamental frequency of the fence is near the vortex or shedding frequency of the flow due to the occurrence of resonance. In addition, when the fence is relatively soft, higher mode response can be excited, leading to significant increases of the variations of the tip velocity and acceleration.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.57
no.2
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pp.96-103
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2020
The new geometric disturbance is proposed to control the flow around the bluff body. The new geometry is characterized by the variable pitch which is applied on the Helically Elliptic Twisted (HET) cylinder. The performance of the HTE geometry as a biomimetic passive flow control was confirmed by Jung and Yoon (2014). The Large Eddy Simulation (LES) is used for the evaluation of the flow control performance of the Variable Pitch HTE (VPHTE) cylinder at Reynolds number (Re) of 3000 corresponding to the subcritical regime. The circular and HTE cylinders are also considered to compare the performance of the VPHTE cylinder at the same Re. The VPHTE cylinder gives the smallest values of the force coefficients than the circular and HTE cylinders. The drag and lift coefficients of the VPHTE cylinder are about 15.2% and 94.0% lower than those of the circular cylinder, respectively. Especially, the VPHTE cylinder achieves about 2.3% and 30.0% reduction of the drag coefficient and the root mean square of the lift coefficient than the HTE cylinder, respectively. Furthermore, The VPHTE cylinder forms more elongated and stabilized separated shear layer than the circular cylinder, which supports the reduction of the force coefficients.
The interaction between a normal shock wave and a boundary layer along a wall surface in internal compressible flows causes a very complicated flow. This interaction region containing shock train and mixing region is called as pseudo-shock waves. Pseudo-shock waves in the divergent part of a rectangular nozzle have been investigated by using large-eddy simulation (LES). LES studies have been done for the complex flow phenomena of three-dimensional pseudo-shock waves. The LES results have been validated against experimental wall-pressure measurements. The LES results are in good agreement with experimental results. Pseudo-shock length and corner separation have been studied in three-dimensional LES model. Comparison of centerline pressure measurement and 3D visualization measurement has been discussed for the corner separation position. It has been concluded that the pseudo-shock length should be measured by using 3D visualization measurement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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