The present study aims to investigate characteristics of the flow structures around the Ahmed body by using both experimental and numerical methods. Therefore, 1/4 scale Ahmed body having $25^{\circ}$ slant angle was employed. The Reynolds number based on the body height, H and the free stream velocity, U was $Re_H=1.48{\times}10^4$. Investigations were conducted in two parts. In the first part of the study, Large Eddy Simulation (LES) method was used to resolve the flow structures around the Ahmed body, numerically. In the second part of the study the particle image velocimetry (PIV) technique was used to measure instantaneous velocity fields around the Ahmed body. Time-averaged and instantaneous velocity vectors maps, streamline topology and vorticity contours of the flow fields were presented and discussed in details. Comparison of the mean and turbulent quantities of the LES results and the PIV results with the results of Lienhart et al. (2000) at different locations over the slanted surface and in the wake region of the Ahmed body were also given. Flow features such as critical points and recirculation zones in the wake region downstream of the Ahmed body were well captured. The spectra of numerically and experimentally obtained stream-wise and vertical velocity fluctuations were presented and they show good consistency with the numerical result of Minguez et al. (2008).
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.
In coastal regions, it is common to witness significant damages on low-rise buildings caused by hurricanes and other extreme wind events. These damages start at high pressure zones or weak building components, and then cascade to other building parts. The state-of-the-art in experimental and numerical aerodynamic load evaluation is to assume buildings with intact envelopes where wind acts only on the external walls and correct for internal pressure through separate aerodynamic studies. This approach fails to explain the effect of openings on (i) the external pressure, (ii) internal partition walls; and (iii) the load sharing between internal and external walls. During extreme events, non-structural components (e.g., windows, doors or rooftiles) could fail allowing the wind flow to enter the building, which can subject the internal walls to lateral loads that potentially can exceed their load capacities. Internal walls are typically designed for lower capacities compared to external walls. In the present work, an anticipated damage development scenario is modelled for a four-story building with a stepped gable roof. LES is used to examine the change in the internal and external wind flows for different level of assumed damages (starting from an intact building up to a case with failure in most windows and doors are observed). This study demonstrates that damages in non-structural components can increase the wind risk on the structural elements due to changes in the loading patterns. It also highlights the load sharing mechanisms in low rise buildings.
Large Eddy Simulation (LES) has been popularly applied and used in the last several decades to simulate turbulent boundary layer in the numerical domain. A fully developed turbulent boundary layer has also been applied to predict the complicated wake flow behind bluff bodies. In this study we aimed to generate an artificial turbulent boundary layer, which is based on an exponential correlation function, and generates a series of realistic three-dimensional velocity data in two-dimensional inlet section which are correlated both in space and in time. The results suggest its excellent capability for high Reynolds number flows. To make an effective generation, a hexahedral mesh has been used and Cholesky decomposition was applied to possess suitable turbulent statistics such as the randomness and correlation of turbulent flow. As a result, the flow characteristics in the domain and fluctuating pressure near the wall are very close to those of fully developed turbulent boundary layers.
Various studies have been conducted on pedestrian-level wind environments around buildings. With regard to the speed-up mechanism of pedestrian-level winds, there are references to downwash effect due to the vertical pressure gradient of boundary layer flow and venturi effect due to flow blocking by the building. Two factors contribute to increase or decrease of downwash effect: change in twodimensional / three-dimensional air flow pattern (Type 1) and change in downwash wind speed due to building size that does not accompany change in airflow pattern (Type 2). Previous studies have shown that downwash effect has a greater influence in increasing or decreasing the area of strong wind than venturi effect. However, these considerations are derived from the horizontal mean wind speed distribution at pedestrian level and are not the result of three-dimensional flow field around the building. Therefore, in this study, Computational Fluid Dynamics using Large Eddy Simulation were performed to verify the downwash phenomena that contributes to increase in wind speed at pedestrian level.
Cruz Y. Li;Xisheng Lin;Gang Hu;Lei Zhou;Tim K.T. Tse;Yunfei Fu
Wind and Structures
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v.37
no.3
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pp.191-209
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2023
This work investigates the subcritical free-shear prism wake at Re=22,000 by the Koopman analysis using the Dynamic Mode Decomposition (DMD) algorithm. The Koopman model linearized nonlinearities in the stochastic, homogeneous anisotropic turbulent wake, generating temporally orthogonal eigen tuples that carry meaningful, coherent structures. Phenomenological analysis of dominant modes revealed their physical interpretations: Mode 1 renders the mean-field dynamics, Modes 2 describes the roll-up of the Strouhal vortex, Mode 3 describes the Bloor-Gerrard vortex resulting from the Kelvin-Helmholtz instability inside shear layers, its superposition onto the Strouhal vortex, and the concurrent flow entrainment, Modes 6 and 10 describe the low-frequency shedding of turbulent separation bubbles (TSBs) and turbulence production, respectively, which contribute to the beating phenomenon in the lift time history and the flapping motion of shear layers, Modes 4, 5, 7, 8, and 9 are the relatively trivial harmonic excitations. This work demonstrates the Koopman analysis' ability to provide insights into free-shear flows. Its success in subcritical turbulence also serves as an excellent reference for applications in other nonlinear, stochastic systems.
Kangfei Shi;Yu Cao;Zhanying Zheng;Shun Lu;Menglong Liu
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3812-3825
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2024
The axial-flow-induced vibration of fuel rods in the nuclear power plant is closely related to nuclear safety. In this article, a numerical study is performed on vibration of two elastic cylinders arranged side-by-side in axial flow. Large eddy simulation is employed to predict the turbulent flow. The numerical method has been verified using the experimental root-mean-square vibration amplitude of a single cylinder. A wide range of inflow velocities u*, incident turbulence intensity Tu and space ratio P/D have been examined, where D and P are the diameter and centre-to-centre distance of the cylinders, respectively. The results show that the vibration amplitudes increase with an increasing u*, comparable to the case of a single cylinder in axial flow. However, the two cylinders could bend outwards during a relatively high u* and low Tu. Although Tu significantly affects the amplitudes of the cylinders, it does not change the vibration frequency and the critical velocity at which buckling instability occurs. As the gap between the two cylinders is sufficiently small, the vibration amplitude enhances significantly due to the pronounced hydrodynamic interaction between the two elastic cylinders and surrounding fluid. The direction of buckling is no longer random but fixed.
Rotating right cylinder of rigid sloping boundaries(top-bottom) is filled with two-layered fluid. External fluid which has the same density as the lower-layer is pumped through the rim boundary at the bottom, and this induces uniform vertical velocity in the interior that produces the Sverdrup type motion such as southward flowing western boundary current with northward interior horizontal motion. The rigid sloping upper boundary meets with lower layer to simulate so called "polar front", and the upper-layer motion influenced by the lower-layer flow has been observed. Barotropic motion in the western part of the basin while baroclinic motion in the eastern half is always present. In particular, both southward flowing eastern boundary flow and western boundary flow meets near the western wall and it induces northward western boundary flow to separate from the boundary With increased ${\beta}$-effect on the upper0layer the width of western boundary decreases and the separated western boundary flow moves into the interior to form an eddy-like motion. Baroclinic Rosebay wave clearly observed in the easter boundary slowly propagates to the west but it seems to be decayed before travelling to the western boundary. A local topograpic effect imposed on the lower-layer causes very sensitive response of upper layer boundary flows. In the east standing0wave0like features are observed in the west whereas the width of the boundary increases without any evidence of the separation of the western boundary flow.This may be due to the gact that even the lower-lauer barotropic motion feels the topography its influence does not propagate into the upper-layer. With large ${\beta}$-effect on the upper-layer,relatively large scale waves whose wavelengths are greater than the internal radius deformation exist in the interior.
Ha, Junbeom;Ku, Garam;Cho, Junghoon;Cheong, Cheolung;Seol, Hanshin
The Journal of the Acoustical Society of Korea
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v.40
no.4
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pp.261-269
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2021
Without any validation of the incompressible assumption, most of previous studies on cavitation flow and its noise have utilized numerical methods based on the incompressible Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) equations because of advantage of its efficiency. In this study, to investigate the effects of the flow compressibility on the Tip Vortex Cavitation (TVC) flow and noise, both the incompressible and compressible simulations are performed to simulate the TVC flow, and the Ffowcs Williams and Hawkings (FW-H) integral equation is utilized to predict the TVC noise. The DARPA Suboff submarine body with an underwater propeller of a skew angle of 17 degree is targeted to account for the effects of upstream disturbance. The computation domain is set to be same as the test-section of the large cavitation tunnel in Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering to compare the prediction results with the measured ones. To predict the TVC accurately, the Delayed Detached Eddy Simulation (DDES) technique is used in combination with the adaptive grid techniques. The acoustic spectrum obtained using the compressible flow solver shows closer agreement with the measured one.
Chang, Yeon S.;Ahn, Kyungmo;Hwang, Jin H.;Park, Young-Gyu
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.25
no.6
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pp.374-385
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2013
Sediment particle motions have been numerically simulated over a sinusoidal ripple. Turbulent boundary layer flows are generated by Large Eddy Simulation, and the sediment particle motions are simulated using Lagrangian particle tracking method. Two unsteady flow conditions are used in the experiment by employing two different wave amplitudes while keeping other conditions such as wave period same. As expected, the amount of suspended sediment particles is clearly dependent on the wave amplitude as it is increasing with increasing flow intensity. However, it is also observed that the pattern of suspension may be different as well due to the only different condition caused by wave amplitude. Specially, the time of maximum sediment suspension within the wave period is not coincident between the two cases because sediment suspension is strongly affected by the existence of turbulent eddies that are formed at different times over the ripple between the two cases as well. The role of these turbulent eddies on sediment suspension is important as it is also confirmed in previous researches. However, it is also found the time of these eddies' formation may also dependent on the wave amplitude over rippled beds. Therefore, it has been proved that various flow as well as geometric conditions under waves has to be considered in order to have better understanding on the sediment suspension process over ripples. In addition, it is found that high turbulent energy and strong upward flow velocities occur during the time of eddy formation, which also supports high suspension rate at these time steps. The results indicate that the relationship between the structure of flows and bedforms has to be carefully examined in studying sediment suspension at coastal regions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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