Appropriate modeling of a tornado-like vortex is a prerequisite when studying the near-ground wind characteristics of a tornado and tornado-induced wind loads on structures. Both Ward- and ISU-type tornado simulators employ guide vanes to induce angular momentum to converge flow in order to generate tornado-like vortices. But in the Ward-type simulator, the guide vanes are mounted near the ground while in the ISU-type they are located at a high position to allow vertical circulation of flow that creates a rotating downdraft to generate a tornado-like vortex. In this study, numerical simulations were performed to reproduce tornado-like vortices using both Ward-type and ISU-type tornado simulators, from which the effects of rotating downdraft on the vortex characteristics were clarified. Particular attention was devoted to the wander of tornado-like vortices, and their dependences on swirl ratio and fetch length were investigated. The present study showed that the dynamic vortex structure depends significantly on the vortex-generating mechanism, although the time-averaged structure remains similar. This feature should be taken into consideration when tornado-like-vortex simulators are utilized to investigate tornado-induced wind forces on structures.
The funnel-shaped vortex structure of tornadoes results in a spatiotemporally varying wind velocity (speed and direction) field. However, very limited full-scale tornado data along the height and radius positions are available to identify and reliably establish a description of complex vortex structure together with the resulting aerodynamic effects on the high-speed train (HST). In this study, the improved delayed detached eddy simulation (IDDES) for flow structures and aerodynamic pressures around an HST under tornado-like winds are conducted to provide high-fidelity computational fluid dynamics (CFD) results. To demonstrate the accuracy of the numerical method adopted in this study, both field observations and wind-tunnel data are utilized to respectively validate the simulated tornado flow fields and HST aerodynamics. Then, the flow structures and aerodynamic pressures (as well as aerodynamic forces and moments) around the HST at various locations within the tornado-like vortex are comprehensively compared to highlight the importance of considering the complex spatiotemporal wind features in the HST-tornado interactions.
The dynamics of a tornado-like vortex with touching down is investigated by using the LES turbulence model. The detailed information of the turbulent flow fields is provided and the force balances in radial and vertical directions are evaluated by using the time-averaged axisymmetric Navier-Stokes equations. The turbulence has slightly influence on the mean flow fields in the radial direction whereas it shows strong impacts in the vertical direction. In addition, the instantaneous flow fields are investigated to clarify and understand the dynamics of the vortex. An organized swirl motion is observed, which is the main source of the turbulence for the radial and tangential components, but not for the vertical component. Power spectrum analysis is conducted to quantify the organized swirl motion of the tornado-like vortex. The gust speeds are also examined and it is found to be very large near the center of vortex.
Kuai, Le;Haan, Fred L. Jr.;Gallus, William A. Jr.;Sarkar, Partha P.
Wind and Structures
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v.11
no.2
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pp.75-96
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2008
A better understanding of tornado-induced wind loads is needed to improve the design of typical structures to resist these winds. An accurate understanding of the loads requires knowledge of near-ground tornado winds, but observations in this region are lacking. The first goal of this study was to verify how well a CFD model, when driven by far field radar observations and laboratory measurements, could capture the flow characteristics of both full scale and laboratory-simulated tornadoes. A second goal was to use the model to examine the sensitivity of the simulations to various parameters that might affect the laboratory simulator tornado. An understanding of near-ground winds in tornadoes will require coordinated efforts in both computational and physical simulation. The sensitivity of computational simulations of a tornado to geometric parameters and surface roughness within a domain based on the Iowa State University laboratory tornado simulator was investigated. In this study, CFD simulations of the flow field in a model domain that represents a laboratory tornado simulator were conducted using Doppler radar and laboratory velocity measurements as boundary conditions. The tornado was found to be sensitive to a variety of geometric parameters used in the numerical model. Increased surface roughness was found to reduce the tangential speed in the vortex near the ground and enlarge the core radius of the vortex. The core radius was a function of the swirl ratio while the peak tangential flow was a function of the magnitude of the total inflow velocity. The CFD simulations showed that it is possible to numerically simulate the surface winds of a tornado and control certain parameters of the laboratory simulator to influence the tornado characteristics of interest to engineers and match those of the field.
Three-dimensional engineering simulations of momentum-driven tornado-like vortices are conducted to investigate the flow dynamics dependency on swirl ratio and the possible relation with real tornado Fujita scales. Numerical results are benchmarked against the laboratory experimental results of Baker (1981) for a fixed swirl ratio: S = 0.28. The simulations are then extended for higher swirl ratios up to S = 2 and the variation of the velocity and pressure flow fields are observed. The flow evolves from the formation of a laminar vortex at low swirl ratio to turbulent vortex breakdown, followed by the vortex touch down at higher swirls. The high swirl ratios results are further matched with full scale data from the Spencer, South Dakota F4 tornado of May 30, 1998 (Sarkar, et al. 2005) and approximate velocity and length scales are determined.
Experiments were conducted in a large-scale Ward-type tornado simulator to study tornado-like vortices. Both flow velocities and the pressures at the surface beneath the vortices were measured. An interpretation of these measurements enabled an assessment of the mean flow field as well as the mean and fluctuating characteristics of the surface pressure deficit, which is a manifestation of the flow fluctuation aloft. An emphasis was placed on the effect of the aspect ratio of the tornado simulator on the characteristics of the simulated flow and the corresponding surface pressure deficit, especially the evolution of these characteristics due to the transition of the flow from a single-celled vortex to a two-celled vortex with increasing swirl ratio.
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.
High spatial and temporal surface pressure measurements were carried out in the state-of-the-art tornado simulator, the Wind Engineering, Energy and Environment (WindEEE) Dome, to explore the characteristics of stationary and translating tornado-like vortices (TLV) for a wide range of swirl ratios (S=0.21 to 1.03). The translational speed of the TLV and the surface roughness were varied to examine their effects on tornado ground pressures, wandering, and vortex structure. It was found that wandering is more pronounced at low swirl ratios and has a substantial effect on the peak pressure magnitude for stationary TLV (error percentage ≤ 35%). A new method for removing wandering was proposed which is applicable for a wide range of swirl ratios. For translating TLV, the near-surface part lagged behind the top of the vortex, resulting in a tilt of the tornado vertical axis at higher translating speeds. Also, a veering motion of the tornado base towards the left of the direction of the translation was observed. Wandering was less pronounced for higher translation speeds. Increasing the surface roughness caused an analogous effect as lowering the swirl ratio.
In this study, residential building damage states observed from a post-tornado damage survey in Joplin after a 2011 EF 5 tornado were used to reconstruct the near-surface wind field. It was based on well-studied relationships between Degrees of Damage (DOD) of building and wind speeds in the Enhanced Fujita (EF) scale. A total of 4,166 one- or two-family residences (FR12) located in the study area were selected and their DODs were recorded. Then, the wind speeds were estimated with the EF scale. The peak wind speed profile estimated from damage of buildings was used to fit a translating analytical vortex model. Agreement between simulated peak wind speeds and observed damages confirms the feasibility of using post-tornado damage surveys for reconstructing the near-surface wind field. In addition to peak wind speeds, the model can create the time history of wind speed and direction at any given point, offering opportunity to better understand tornado parameters and wind field structures. Future work could extend the method to tornadoes of different characteristics and therefore improve model's generalizability.
As wind turbine rotors increase, the overall loads and dynamic response become an important issue. This problem is augmented by the exposure of wind turbines to severe atmospheric events with unconventional flows such as tornadoes, which need specific designs not included in standards and codes at present. An experimental study was conducted to analyze the loads induced by a tornado-like vortex (TLV) on horizontal-axis wind turbines (HAWT). A large-scale tornado simulation developed in The Wind Engineering, Energy and Environment (WindEEE) Dome at Western University in Canada, the so-called Mode B Tornado, was employed as the TLV flow acting on a rigid wind turbine model under two rotor operational conditions (idling and parked) for five radial distances. It was observed that the overall forces and moments depend on the location and orientation of the wind turbine system with respect to the tornado vortex centre, as TLV are three-dimensional flows with velocity gradients in the radial, vertical, and tangential direction. The mean bending moment at the tower base was the most important in terms of magnitude and variation in relation to the position of the HAWT with respect to the core radius of the tornado, and it was highly dependent on the rotor Tip Speed Ratio (TSR).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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