The simulation of non-stationary wind velocity is particularly crucial for the wind resistant design of slender structures. Recently, some data-driven simulation methods have received much attention due to their straightforwardness. However, as the number of simulation points increases, it will face efficiency issues. Under such a background, in this paper, a time-varying coherence matrix decomposition method based on Diagonal Proper Orthogonal Decomposition (DPOD) interpolation is proposed for the data-driven simulation of non-stationary wind velocity based on S-transform (ST). Its core idea is to use coherence matrix decomposition instead of the decomposition of the measured time-frequency power spectrum matrix based on ST. The decomposition result of the time-varying coherence matrix is relatively smooth, so DPOD interpolation can be introduced to accelerate its decomposition, and the DPOD interpolation technology is extended to the simulation based on measured wind velocity. The numerical experiment has shown that the reconstruction results of coherence matrix interpolation are consistent with the target values, and the interpolation calculation efficiency is higher than that of the coherence matrix time-frequency interpolation method and the coherence matrix POD interpolation method. Compared to existing data-driven simulation methods, it addresses the efficiency issue in simulations where the number of Cholesky decompositions increases with the increase of simulation points, significantly enhancing the efficiency of simulating multivariate non-stationary wind velocities. Meanwhile, the simulation data preserved the time-frequency characteristics of the measured wind velocity well.
Yongli Zhong;Yichen Liu;Hua Zhang;Zhitao Yan;Xinpeng Liu;Jun Luo;Kaihong Bai;Feng Li
Wind and Structures
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v.38
no.2
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pp.129-146
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2024
Aiming at the problem of non-stationary wind field simulation of downbursts, a non-stationary down-burst generation system was designed by adding a nozzle and program control valve to the inlet of the original wall jet model. The computational fluid dynamics (CFD) method was used to simulate the downburst. Firstly, the two-dimensional (2D) model was used to study the outflow situation, and the database of working conditions was formed. Then the combined superposition of working conditions was carried out to simulate the full-scale measured downburst. The three-dimensional (3D) large eddy simulation (LES) was used for further verification based on this superposition condition. Finally, the wind tunnel test is used to further verify. The results show that after the valve is opened, the wind ve-locity at low altitude increases rapidly, then stays stable, and the wind velocity at each point fluctuates. The velocity of the 2D model matches the wind velocity trend of the measured downburst well. The 3D model matches the measured downburst flow in terms of wind velocity and pulsation characteris-tics. The time-varying mean wind velocity of the wind tunnel test is in better agreement with the meas-ured time-varying mean wind velocity of the downburst. The power spectrum of fluctuating wind ve-locity at different vertical heights for the test condition also agrees well with the von Karman spectrum, and conforms to the "-5/3" law. The vertical profile of the maximum time-varying average wind veloci-ty obtained from the test shows the basic characteristics of the typical wind profile of the downburst. The effectiveness of the downburst generation system is verified.
Nonstationary features existing in tropical storms have been frequently captured in recent field measurements, and the applicability of the stationary theory to the analysis of wind characteristics needs to be discussed. In this study, a tropical storm called Nakri measured at Taizhou Bridge site based on structural health monitoring (SHM) system in 2014 is analyzed to give a comparison of the stationary and nonstationary characteristics. The stationarity of the wind records in the view of mean and variance is first evaluated with the run test method. Then the wind data are respectively analyzed with the traditional stationary model and the wavelet-based nonstationary model. The obtained wind characteristics such as the mean wind velocity, turbulence intensity, turbulence integral scale and power spectral density (PSD) are compared accordingly. Also, the stationary and nonstationary PSDs are fitted to present the turbulence energy distribution in frequency domain, among which a modulating function is included in the nonstationary PSD to revise the non-monotonicity. The modulated nonstationary PSD can be utilized to unconditionally simulate the turbulence presented by the nonstationary wind model. The results of this study recommend a transition from stationarity to nonstationarity in the analysis of wind characteristics, and further in the accurate prediction of wind-induced vibrations for engineering structures.
Solari, Giovanni;Burlando, Massimiliano;De Gaetano, Patrizia;Repetto, Maria Pia
Wind and Structures
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v.20
no.6
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pp.763-791
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2015
"Wind and Ports" is a European project that has been carried out since 2009 to handle wind forecast in port areas through an integrated system made up of an extensive in-situ wind monitoring network, the numerical simulation of wind fields, the statistical analysis of wind climate, and algorithms for medium-term (1-3 days) and short term (0.5-2 hours) wind forecasting. The in-situ wind monitoring network, currently made up of 22 ultrasonic anemometers, provides a unique opportunity for detecting high resolution thunderstorm records and studying their dominant characteristics relevant to wind engineering with special concern for wind actions on structures. In such a framework, the wind velocity of thunderstorms is firstly decomposed into the sum of a slowly-varying mean part plus a residual fluctuation dealt with as a non-stationary random process. The fluctuation, in turn, is expressed as the product of its slowly-varying standard deviation by a reduced turbulence component dealt with as a rapidly-varying stationary Gaussian random process with zero mean and unit standard deviation. The extraction of the mean part of the wind velocity is carried out through a moving average filter, and the effect of the moving average period on the statistical properties of the decomposed signals is evaluated. Among other aspects, special attention is given to the thunderstorm duration, the turbulence intensity, the power spectral density and the integral length scale. Some noteworthy wind velocity ratios that play a crucial role in the thunderstorm loading and response of structures are also analyzed.
A non-translating, long duration thunderstorm downburst has been simulated experimentally and numerically by modelling a spatially stationary steady flow impinging air jet. Velocity profiles were shown to compare well with an upper-bound of velocity measurements reported for full-scale microbursts. Velocity speed-up over a range of topographic features in simulated downburst flow was also tested with comparisons made to previous work in a similar flow, and also boundary layer wind tunnel experiments. It was found that the amplification measured above the crest of topographic features in simulated downburst flow was up to 35% less than that observed in boundary layer flow for all shapes tested. From the computational standpoint we conclude that the Shear Stress Transport (SST) model performs the best from amongst a range of eddy-viscosity and second moment closures tested for modelling the impinging jet flow.
Journal of Korean Society of Disaster and Security
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v.6
no.2
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pp.1-8
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2013
This study is concerned with the estimation of fluctuate wind velocity statistic properties in the major cities reflecting the recent meteorological with largest data samples (yearly 2003-2012). The basic wind speeds were standardized homogeneously to the surface roughness category C, and to 10m above the ground surface. The estimation of the extreme of non-Gaussian load effects for design applications has often been treated tacitly by invoking a conventional wind design (gust load peak factor) on the basis of Gaussian processes. This assumption breaks down when the loading processes exhibits non-Gaussianity, in which a conventional wind design yields relatively non conservative estimates because of failure to include long tail regions inherent to non-Gaussian processes. This study seeks to ascertain the probability distribution function from recently wind data with effected typhoon & maximum instantaneous wind speed.
In this study, two original spectral representations of stationary stochastic fields, say the continuous proper orthogonal decomposition (CPOD) and the frequency-wavenumber spectral representation (FWSR), are derived from the Fourier-Stieltjes integral at first. Meanwhile, the relations between the above two representations are discussed detailedly. However, the most widely used conventional Monte Carlo schemes associated with the two representations still leave two difficulties unsolved, say the high dimension of random variables and the incompleteness of probability with respect to the generated sample functions of the stochastic fields. In view of this, a dimension-reduction model involving merely one elementary random variable with the representative points set owing assigned probabilities is proposed, realizing the refined description of probability characteristics for the stochastic fields by generating just several hundred representative samples with assigned probabilities. In addition, for the purpose of overcoming the defects of simulation efficiency and accuracy in the FWSR, an improved scheme of non-uniform wavenumber intervals is suggested. Finally, the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm is adopted to further enhance the simulation efficiency of the horizontal stochastic wind velocity fields. Numerical examplesfully reveal the validity and superiorityof the proposed methods.
In this paper, wireless monitoring of typhoon-induced variation of dynamic characteristics of a cable-stayed bridge is presented. Firstly, cable-stayed bridge with the wireless monitoring system is described. Wireless vibration sensor nodes are utilized to measure accelerations from bridge deck and stay cables. Also, modal analysis methods are selected to extract dynamic characteristics. Secondly, dynamic responses of the cable-stayed bridge under the attack of two typhoons are analyzed by estimating relationships between wind velocity and dynamic characteristics. Wind-induced variations of deck and cable vibration responses are examined based on the field measurements under the two consecutive typhoons, Bolaven and Tembin. Finally, time-varying analyses are performed to investigate non-stationary random properties of the dynamic responses under the typhoons.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.16
no.5
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pp.539-544
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2000
A simple analytic model is proposed here to analyze the concentration deficit field caused by a large area of vegetated area. With non-dimensional deposition velocity chosen as small parameter, the regular perturbation method is exploited to derive the mass balance equation and the dynamic equations for the concentration deficit field, Analytic solutions to those equations are obtained in a closed form for several cases of interest, assuming that the concentration field is stationary and the plume can be nicely approximated as Gaussian for a point source. The results suggest that quite a negligible fraction (less than 1%) of the gaseous air pollutants emitted into the air is removed by the vegetated area of which width is 4 km in wind-wise direction, the typical dimension of the Restricted Development Zones around the metropolitan regions in South Korea.
The sealed, tuned liquid column gas damper (TLCGD) with gas-spring effect extends the frequency range of application up to about 5 Hz and efficiently increases the modal structural damping. In this paper the influence of several TLCGDs to reduce coupled translational and rotational vibrations of plan-asymmetric buildings under wind or seismic loads is investigated. The locations of the modal centers of velocity of rigidly assumed floors are crucial to select the design and the optimal position of the liquid absorbers. TLCGD's dynamics can be derived in detail using the extended non-stationary Bernoulli's equation for moving reference systems. Modal tuning of the TLCGD renders the optimal parameters by means of a geometrical transformation and in analogy to the classical tuned mass damper (TMD). Subsequently, fine-tuning is conveniently performed in the state space domain. Numerical simulations illustrate a significant reduction of the vibrations of plan-asymmetric buildings by the proposed TLCGDs.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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