The quasi-steady approaches to simulate the wind induced vibrations of inclined cables, especially on the rain-wind induced vibration, have been tried by many researchers. However, the steady wind force coefficients used in those methods include only the effects of water rivulet, but not the axial flow effects. The problem is the direct application of the conventional techniques to the inclined cable aerodynamics. Therefore, in this study, the method to implement the axial flow effects in the quasi-steady theory is considered and its applicability to the inclined cable aerodynamics is investigated. Then, it becomes clear that the perforated splitter plate in the wake of non-yawed circular cylinder can include the effects of axial flow in the steady wind force coefficients for inclined cables to a certain extent. Using the lateral force coefficients measured in this study, the quasi-steady theory may explain the wind induced instabilities of the inclined cables only in the relatively high reduced wind velocity region. When the Scruton number is less than around 40, the high speed vortex-induced vibration occurs around the onset wind velocity region of the galloping, and then, the quasi-steady approach cannot be applied for estimating the response of wind-induced vibration of inclined cable.
The force coefficients of rotating plates in the acceleration stage will vary with rotation rate from 0 to stable rotation rate w0, which are important for quasi-steady theory of plate-like windborne debris to simulate the trajectory. In this paper, a wind tunnel experiment is carried out to study the effects of geometry and the Reynolds number on the variations of mean force coefficients of rotating plates. The rotational lift coefficients are sensitive to both geometry effect and Reynolds number effect, while the rotational drag and moment coefficients are only sensitive to geometry effect. In addition, new empirical formulas for the rotational lift coefficient and moment coefficients are proposed. Its accuracy is verified by comparing the predicted results with existing test data. Based on the experimental data of rotating plates, a new rotational force model for quasi-steady theory, which can be applied to a wider scope, is proposed to calculate the trajectory of plate-like windborne debris. The results show that the new model provides a better match with the tested trajectories than previous quasi-steady theories.
In a wind tunnel experiment employing a reduced scale model, Reynolds number (Re) can hardly be respected. Its effects on the aerodynamics of closed-box bridge decks have been the subject of research in recent years. Stonecutters Bridge in Hong Kong is a cable-stayed bridge having an unprecedented central span of 1018m. The issue of Re sensitivity was raised early in the design phase of the deck of Stonecutters Bridge. The objective of this study is to summarise the results of various wind tunnel experiments in order to demonstrate the effect of Re on the steady state aerodynamic force coefficients. The results may provide an insight on the choice of scale for section model experiments in bridge design projects. Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of forces on bridge deck section was also carried out to see how CFD results are compared with experimental results.
Bridge hanger vibrations have been reported under icy conditions. In this paper, the results from a series of static and dynamic wind tunnel tests on a circular cylinder representing a bridge hanger with simulated thin ice accretions are presented. The experiments focus on ice accretions produced for wind perpendicular to the cylinder at velocities below 30 m/s and for temperatures between $-5^{\circ}C$ and $-1^{\circ}C$. Aerodynamic drag, lift and moment coefficients are obtained from the static tests, whilst mean and fluctuating responses are obtained from the dynamic tests. The influence of varying surface roughness is also examined. The static force coefficients are used to predict parameter regions where aerodynamic instability of the iced bridge hanger might be expected to occur, through use of an adapted theoretical 3-DOF quasi-steady galloping instability model, which accounts for sectional axial rotation. A comparison between the 3-DOF model and the instabilities found through two degree-of-freedom (2-DOF) dynamic tests is presented. It is shown that, although there is good agreement between the instabilities found through use of the quasi-steady theory and the dynamic tests, discrepancies exist-indicating the possible inability of quasi-steady theory to fully predict these vibrational instabilities.
The global performance of the 5 MW OC4 semisubmersible floating wind turbine in random waves with or without steady/dynamic winds is numerically simulated by using the turbine-floater-mooring fully coupled dynamic analysis program FAST-CHARM3D in time domain. The numerical simulations are based on the complete second-order diffraction/radiation potential formulations along with nonlinear viscous-drag force estimations at the body's instantaneous position. The sensitivity of hull motions and mooring dynamics with varying wave-kinematics extrapolation methods above MWL(mean-water level) and column drag coefficients is investigated. The effects of steady and dynamic winds are also illustrated. When dynamic wind is added to the irregular waves, it additionally introduces low-frequency wind loading and aerodynamic damping. The numerically simulated results for the 5 MW OC4 semisubmersible floating wind turbine by FAST-CHARM3D are also extensively compared with the DeepCWind model-test results by Technip/NREL/UMaine. Those numerical-simulation results have good correlation with experimental results for all the cases considered.
Inclined and yawed circular cylinder is an essential element in the widespread range of structures. As one of the applications, cables on bridges were reported to have the possibility of suffering a kind of large amplitude vibration called dry galloping. In order to have a detailed understanding of the aerodynamics related to dry galloping, this study carried out a set of wind tunnel tests for the inclined and yawed circular cylinders. The aerodynamic coefficients of circular cylinders with three surface configurations, including smooth, dimpled pattern and helical fillet are tested using the force balance under a wide range of inclination and yaw angles in the wind tunnel. The Reynolds number ranges from $2{\times}10^5$ to $7{\times}10^5$ during the test. The influence of turbulence intensity on the drag and lift coefficients is corrected. The effects of inclination angle yaw angle and surface configurations on the aerodynamic coefficients are discussed. Adopting the existed the quasi-steady model, the nondimensional aerodynamic damping parameters for the cylinders with three kinds of surface configurations are evaluated. It is found that surface with helical fillet or dimpled pattern have the potential to suppress the dry galloping, while the latter one is more effective.
When first commissioned, the 1.6 km span 275kV Severn Crossing Conductor experienced large amplitude vibrations in certain wind conditions, but without ice or rain, leading to flashover between the conductor phases. Wind tunnel tests undertaken at the time identified a major factor was the lift generated in the critical Reynolds number range in skew winds. Despite this insight, and although a practical solution was found by wrapping the cable to change the aerodynamic profile, there remained some uncertainty as to the detailed excitation mechanism. Recent work to address the problem of dry inclined cable galloping on cable-stayed bridges has led to a generalised quasi-steady galloping formulation, including effects of the 3D geometry and changes in the static force coefficients in the critical Reynolds number range. This generalised formulation has been applied to the case of the Severn Crossing Conductor, using data of the static drag and lift coefficients on a section of the stranded cable, from the original wind tunnel tests. Time history analysis has then been used to calculate the amplitudes of steady state vibrations for comparison with the full scale observations. Good agreement has been obtained between the analysis and the site observations, giving increased confidence in the applicability of the generalised galloping formulation and providing insight into the mechanism of galloping of yawed and stranded cables. Application to other cable geometries is also discussed.
Cristoforo Demartino;Zhen Sun;Giulia Matteoni;Christos T. Georgakis
Wind and Structures
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v.37
no.1
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pp.57-78
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2023
In this study, a generalized three-degree-of-freedom (3-DoF) analytical model is formulated to predict linear aerodynamic instabilities of a prism under quasi-steady (QS) conditions. The prism is assumed to possess a generic cross-section exposed to turbulent wind flow. The 3-DoFs encompass two orthogonal horizontal directions and rotation about the prism body axis. Inertial coupling is considered to account for the non-coincidence of the mass center and the rotation center. The aerodynamic force coefficients-drag, lift, and moment-depend on the Reynolds number based on relative flow velocity, angle of attack, and the angle between the wind and the cable. Aerodynamic forces are linearized with respect to the static equilibrium configuration and mean wind velocity. Routh-Hurwitz and Liénard and Chipart criteria are used in the eigenvalue problem, yielding an analytical solution for instabilities in galloping and static divergence types. Additionally, the minimum structural damping and stiffness required to prevent these instabilities are numerically determined. The proposed 3-DoF instability model is subsequently applied to a conductor with ice accretion and a full-scale dry inclined cable. In comparison to existing models, the developed model demonstrates superior prediction accuracy for unstable regions compared with results in wind tunnel tests.
This paper is devoted to the non linear quasi-steady aerodynamic loading. A linear approximation is often used to compute the response of structures to buffeting forces. Some researchers have however shown that it is possible to account for the non linearity of this loading. This non linearity can come (i) from the squared velocity or (ii) from the shape of the aerodynamic coefficients (as functions of the wind angle of attack). In this paper, it is shown that this second origin can have significant implications on the design of the structure, particularly when the non linearity of the aerodynamic coefficient is important or when the transverse turbulence is important.
CFD techniques try to find their way in the bridge engineering realm nowadays. However, there are certain fields where they offer superior performance such as conceptual bridge design and bidding design. The CFD studies carried out for the conceptual design of a 425 m length cable-stayed bridge are presented. A CFD commercial package has been employed to obtain for a set of cross-sections the aerodynamic coefficients considering 2D steady state. Additionally, for those cross-sections which showed adequate force coefficients, unsteady 2D simulations were carried out to detect the risk of vortex shedding. Based upon these computations the effect on the aerodynamic behavior of the deck cross-section caused by a number of modifications has been evaluated. As a consequence, a new more feasible cross-section design has been proposed. Nevertheless, if the design process proceeds to a more detailed step a comprehensive set of studies, comprising extensive wind tunnel tests, are required to better find out the aerodynamic bridge behavior.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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