Wind tunnel experiment was carried out to study the cross-wind layer forces on a square cross-section building model using a synchronous multi-pressure sensing system. The stationarity of measured wind loadings are firstly examined, revealing the non-stationary feature of cross-wind forces. By converting the measured non-stationary wind forces into an energetically equivalent stationary process, the characteristics of local wind forces are studied, such as power spectrum density and spanwise coherence function. Mathematical models to describe properties of cross-wind forces at different layers are thus established. Then, a conditional simulation method, which is able to ex-tend pressure measurements starting from experimentally measured points, is proposed for the cross-wind loading. The method can reproduce the non-stationary cross-wind force by simulating a stationary process and the corresponding time varying amplitudes independently; in this way the non-stationary wind forces can finally be obtained by combining the two parts together. The feasibility and reliability of the proposed method is highlighted by an ex-ample of across wind loading simulation, based on the experimental results analyzed in the first part of the paper.
We performed calculations combining optimization technologies and Computational Fluid Dynamics (CFD) aimed at reducing wind forces and mitigating wind environments (local strong winds) around buildings. However, the Reynolds Averaged Navier-stokes Simulation (RANS), which seems somewhat inaccurate, needs to be used to create a realistic CFD optimization tool. Therefore, in this study we explored the possibilities of optimizing calculations using RANS. We were able to demonstrate that building configurations advantageous to wind forces could be predicted even with RANS. We also demonstrated that building layouts was more effective than building configurations in mitigating local strong winds around tall buildings. Additionally, we used the Convolutional Neural Network (CNN) as an airflow prediction method alternative to CFD in order to increase the speed of optimization calculations, and validated its prediction accuracy.
The wind pressure distributions were analyzed to provide fundamental criteria for the structural design on e single-span arched house according to the wind directions through the wind tunnel experiment. In order to investigate the wind force distributions, the variation of the wind force coefficients, the mean wind force coefficients, the drag force coefficients and the lift force coefficients were estimated by using the experimental data. The results obtained are as follows: 1. When the wind direction was normal to the wall, the maximum positive wind pressure along the height of the wall occurred approximately at two-thirds of the wall height because of the effects of boundary layer flow. 2. When the wind direction was 30$^{\circ}$ to the wall, the maximum positive wind force occurred at the windward edge of the wall. When the wind direction was parallel to the wall, the maximum negative wind force occurred at the windward edge of the wall. 3. The maximum negative wind force along the width of the roof appeared around the width ratio, 0.4, and that along the length of the roof appeared around the length ratio, 0.5. 4. According to the results of the mean wind force coefficients analysis, the maximum negative wind force occurred on the roof at the wind direction of 30$^{\circ}$. 5. The wind forces at the wind direction of 30$^{\circ}$ instead of 0$^{\circ}$ are recommended in the structural design of supports for a house. 6. To prevent partial damage of a house structure by wind forces, the local wind forces should be considered to the structural design of a house.
The wind pressure distributions were analyzed to provide fundamental criteria for the structural design on the two-span arched house according to the wind directions through the wind tunnel experiment. In order to investigate the wind force distributions, the variation of the wind force coefficients, the mean wind force coefficients, the drag force coefficients and the lift force coefficients were estimated using the experimental data. The results obtained are as follows : 1. The variation of the wind force with wind directions on the side walls was the greatest at the upwind edge of the walls. 2. The maximum negative wind force along the length of the roof appeared at the upwind edge at the wind direction of 60$^{\circ}$. 3. The maximum negative wind force along the width of the roof appeared at the width ratio and wind direction of 0$^{\circ}$ and 0.4 in the first house and 0.6 and 30$^{\circ}$ in the second house, respectively. 4. The mean negative wind force on the side walls of the first house at the wind direction of 0$^{\circ}$ was far greater than that of the second house, and the maximum negative wind force on the roof occurred at the wind direction of 30$^{\circ}$. 5. The maximum lift force appeared on the second house at the wind direction of 30$^{\circ}$, but the lift force on the first house was far greater than that on the second house at the wind direction of 0$^{\circ}$. 6. The parts to be considered for the local wind forces were the edges of the walls, and the edges of the x-direction and the width ratio, 0.4 of the y-direction in the roofs.
The wind pressure distributions were analyzed through the wind tunnel experiment to provide fundamental criteria for the structural design on the three-span arched house according to the wind directions. In order to investigate the wind force distribution, the variation of the wind force coefficients, the mean wind force coefficients, the drag force coefficients and the lift force coefficients were estimated from the experimental data. The results obtained are as follows : 1. The variation of the wind force with the wind directions on the side walls was the greatest at the upwind edge of the walls. The change of pressure from the positive to the negative on the side walls occurred at the wind direction of 30$^{\circ}$ in the first house and 60$^{\circ}$ in the third house. 2. The maximum negative wind force along the length of the roof appeared at the length ratio of 0-0.2, when the wind directions were 90$^{\circ}$ in the first house, 60$^{\circ}$ in the second house and 30$^{\circ}$ in the third house. 3. The maximum negative wind force along the width of the roof appeared at the width ratio and the wind direction of 0.4 and 0$^{\circ}$ in the first house, 0.4-0.6 and 30$^{\circ}$ in the second house and 0.6 and 30$^{\circ}$ in the third house, respectively. 4. The maximum mean positive and negative wind forces occurred at the wind direction of 60$^{\circ}$ and 30$^{\circ}$, respectively, on the side walls of the first house, and the maximum mean negative wind force on the roof occurred at the wind direction of 30$^{\circ}$ in third house. 5. The maximum drag and lift forces occurred at the wind direction of 30$^{\circ}$, and the maximum lift force appeared in the third house. 6. The parts to be considered for the local wind forces were the edges of the walls, the edges of the x-direction of the roofs, and the locations of the width ratio of 0.4 of the first and third house and the center of the width of the second house for the y-direction of the roofs.
When a railway vehicle runs in crosswinds, the unsteady aerodynamic forces acting on the train induced by the vehicle speed, crosswind velocity and local landforms are a common problem. To investigate the dynamic performance of a railway vehicle due to the influence of unsteady aerodynamic forces caused by local landforms, a vehicle aerodynamic model and vehicle dynamic model were established. Then, a wind-loaded vehicle system model was presented and validated. Based on the wind-loaded vehicle system model, the dynamic response performance of the vehicle, including safety indexes and vibration characteristics, was examined in detail. Finally, the effects of the crosswind velocity and vehicle speed on the dynamic response performance of the vehicle system were analyzed and compared.
Simultaneous pressure and force measurements have been conducted on a stationary box deck section model for two configurations (namely without and with New Jersey traffic barriers) at various angles of incidence. The mean and fluctuating aerodynamic coefficients and pressure coefficients were derived, together with their spectra and with the coherence functions between the pressures and the total aerodynamic forces. The mean aerodynamic coefficients derived from force measurements are first compared with those derived from the integration of the pressures on the deck surface. Correlation between forces and local pressures are determined in order to gain insight on the wind excitation mechanism. The influence of the angle of incidence on the pressure distribution and on the fluctuating forces is also analysed. It is evidenced how particular deck section areas are more responsible for the aerodynamic excitation of the deck.
Dongmei, Huang;Xue, Zhu;Shiqing, He;Xuhui, He;Hua, He
Wind and Structures
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v.24
no.5
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pp.501-528
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2017
In this work, wind tunnel tests of pressure measurements are carried out to assess the global aerodynamic interference factors, the local wind pressure interference factors, and the local lift spectra of an square high-rise building interfered by an identical cross-sections but lower height building arranged in various relative positions. The results show that, when the interfering building is located in an area of oblique upstream, the RMS of the along-wind, across-wind, and torsional aerodynamic forces on the test building increase significantly, and when it is located to a side, the mean across-wind and torsional aerodynamic forces increase; In addition, when the interfering building is located upstream or staggered upstream, the mean wind pressures on the sheltered windward side turn form positive to negative and with a maximum absolute value of up to 1.75 times, and the fluctuating wind pressures on the sheltered windward side and leading edge of the side increase significantly with decreasing spacing ratio (up to a maximum of 3.5 times). When it is located to a side, the mean and fluctuating wind pressures on the leading edge of inner side are significantly increased. The three-dimensional flow around a slightly-shorter disturbing building has a great effect on the average and fluctuating wind pressures on the windward or cross-wind faces. When the disturbing building is near to the test building, the vortex shedding peak in the lift spectra decreases and there are no obvious signs of periodicity, however, the energies of the high frequency components undergo an obvious increase.
Tornadoes are the most devastating meteorological natural hazards. Many empirical and theoretical numerical models of tornado vortex have been proposed, because it is difficult to carry out direct measurements of tornado velocity components. However, most of existing numerical models fail to explain the physical structure of tornado vortices. The present paper proposes a new empirical numerical model for a tornado vortex, and its load effects on a low-rise and a tall building are calculated and compared with those for existing numerical models. The velocity components of the proposed model show clear variations with radius and height, showing good agreement with the results of field measurements, wind tunnel experiments and computational fluid dynamics. Normal stresses in the columns of a low-rise building obtained from the proposed model show intermediate values when compared with those obtained from existing numerical models. Local forces on a tall building show clear variation with height and the largest local forces show similar values to most existing numerical models. Local forces increase with increasing turbulence intensity and are found to depend mainly on reference velocity Uref and moving velocity Umov. However, they collapse to one curve for the same normalized velocity Uref / Umov. The effects of reference radius and reference height are found to be small. Resultant fluctuating force of generalized forces obtained from the modified Rankine model is considered to be larger than those obtained from the proposed model. Fluctuating force increases as the integral length scale increases for the modified Rankine model, while they remain almost constant regardless of the integral length scale for the proposed model.
Maeda, Takao;Kamada, Yasunari;Okada, Naohiro;Suzuki, Jun
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.3
no.4
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pp.360-368
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2010
This paper describes the flow field and the blade pressure distribution of a horizontal axis wind turbine in various yawed flow conditions. These measurements were carried out with 2.4m-diameter rotor with pressure sensors and a 2-dimensional laser Doppler velocimeter for each azimuth angle in a wind tunnel. The results show that aerodynamic forces of the blade based on the pressure measurements change according to the local angle of attack during rotation. Therefore the wake of the yawed rotor becomes asymmetric for the rotor axis. Furthermore, the relations between aerodynamic forces and azimuth angles change according to tip speed ratio. By the experimental analysis, the flow field and the aerodynamic forces for each azimuth angle in yawed flow condition were clarified.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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