Gunter, W. Scott;Schroeder, John L.;Weiss, Christopher C.;Bruning, Eric C.
Wind and Structures
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v.24
no.2
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pp.185-204
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2017
High-resolution wind measurements at 2.25 m in height were used to investigate the mean and turbulence properties of an extreme thunderstorm wind event in West Texas. These data were combined with single Doppler scans from the Texas Tech University Ka-band mobile Doppler radars systems (TTUKa) to provide meteorological context over the surface measurement stations for portions of the outflow. Several features characteristic of a severe wind event were noted in the radar data, including a bowing portion of the thunderstorm complex and a small circulation on the leading edge. These features were reflected in the surface wind time histories and provided natural separation between various regions of the outflow. These features also contributed to the peak 1-s gust at all measurement stations. The turbulence characteristics of each outflow region were also investigated and compared. Reduced values of running turbulence intensity and elevated values of longitudinal integral scales were noted during the period of peak wind speed. Larger scales of turbulence within the outflow were also suggested via spectral analysis.
Despite of the laminar-turbulent transition region co-exist with fully turbulence region around the leading edge of an airfoil, still lots of researchers apply to fully turbulence models to predict aerodynamic characteristics. It is well known that fully turbulent model such as standard k-${\varepsilon}$ model couldn't predict the complex stall and the separation behavior on an airfoil accurately, it usually leads to over prediction of the aerodynamic characteristics such as lift and drag forces. So, we apply correlation based transition model to predict aerodynamic performance of the NREL (National Renewable Energy Laboratory) Phase IV wind turbine. And also, compare the computed results from transition model with experimental measurement and fully turbulence results. Results are presented for a range of wind speed, for a NREL Phase IV wind turbine rotor. Low speed shaft torque, power, root bending moment, aerodynamic coefficients of 2D airfoil and several flow field figures results included in this study. As a result, the low speed shaft torque predicted by transitional turbulence model is very good agree with the experimental measurement in whole operating conditions but fully turbulent model(k-${\varepsilon}$) over predict the shaft torque after 7m/s. Root bending moment is also good agreement between the prediction and experiments for most of the operating conditions, especially with the transition model.
The Journal of the Korea institute of electronic communication sciences
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v.18
no.3
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pp.387-396
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2023
The representative equipments currently used for weather observations are meteorological masters and wind lidars. According to international regulations, meteorological masters can be used for standalone measurements, but in case of wind lidars, it is mandatory to install a meteorological master that matches the height of the bottom of the wind turbine blade or a 40m meteorological masters and correct the measurement data. Turbulence flow occurs frequently at altitudes below 100m due to its nature, and wind lidars are more susceptible to the effects of turbulence than meteorological masters. However, while the turbulence intensity for meteorological masters is specified by international regulations, there is no separated specification for wind lidars. This study collected data measured under the same conditions using both meteorological masters and wind LiDARs, analyzed the uncertainties and turbulence intensity ratio. The analysis of the data showed that there were partial sections where the proportion of turbulent flow intensity exceeded 3%. Therefore, it is suggested to include a specification for the turbulence intensity error rate for wind LiDARs in the international regulations.
Ding, Youliang;Zhou, Guangdong;Li, Aiqun;Deng, Yang
Wind and Structures
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v.17
no.1
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pp.43-68
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2013
The fluctuating wind induced vibration is one of the most important factors which has been taken into account in the design of long-span bridge due to the low stiffness and low natural frequency. Field measurement characteristics of sustained wind on structure site can provide accurate wind load parameters for wind field simulation and structural wind resistance design. As a suspension bridge with 1490 m main span, the Runyang Suspension Bridge (RSB) has high sensitivity to fluctuating wind. The simultaneous and continuously wind environment field measurement both in mid-span and on tower top is executed from 2005 up to now by the structural health monitoring system installed on this bridge. Based on the recorded data, the wind characteristic parameters, including mean wind speed, wind direction, the turbulence intensity, the gust factors, the turbulence integral length, power spectrum and spatial correlation, are analyzed in detail and the coherence functions of those parameters are evaluated using statistical method in this paper. The results indicate that, the turbulence component of sustain wind is larger than extremely strong winds although its mean wind speed is smaller; the correlation between turbulence parameters is obvious; the power spectrum is special and not accord with the Simiu spectrum and von Karman spectrum. Results obtained in this study can be used to evaluate the long term reliability of the Runyang Suspension Bridge and provide reference values for wind resistant design of other structures in this region.
Studying the spatial distribution in coherent fields such as turbulence and turbulence-induced force is important to model and evaluate turbulence-induced forces and response of structures in the turbulent flows. Turbulence field-based coherence function is commonly used for the spatial distribution characteristic of the turbulence-induced forces in the frequency domain so far. This paper will focus to study spectral coherent structure of the turbulence and induced forces in not only the frequency domain using conventional Fourier transform-based coherence, but also temporo-spectral coherence one in the time-frequency plane thanks to wavelet transform-based coherence for better understanding of the turbulence and force coherences and their spatial distributions. Effects of spanwise separations, bluff body flow, flow conditions and Karman vortex on coherent structures of the turbulence and induced pressure, comparison between turbulence and pressure coherences as well as intermittency of the coherent structure in the time-frequency plane will be investigated here. Some new findings are that not only the force coherence is higher than the turbulence coherence, the coherences of turbulence and forces depend on the spanwise separation as previous studies, but also the coherent structures of turbulence and forces relate to the ongoing turbulence flow and bluff body flow, moreover, intermittency in the time domain and low spectral band is considered as the nature of the coherent structure. Simultaneous measurements of the surface pressure and turbulence have been carried out on some typical rectangular cylinders with slenderness ratios B/D=1 (without and with splitter plate) and B/D=5 under the artificial turbulent flows in the wind tunnel.
A new inflow turbulence generation method and a combined dynamic SGS model recently developed by the authors were applied to evaluate the wind effects on 508 m high Taipei 101 Tower. Unlike the majority of the past studies on large eddy simulation (LES) of wind effects on tall buildings, the present numerical simulations were conducted for the full-scale tall building with Reynolds number greater than $10^8$. The inflow turbulent flow field was generated based on the new method called discretizing and synthesizing of random flow generation technique (DSRFG) with a prominent feature that the generated wind velocity fluctuations satisfy any target spectrum and target profiles of turbulence intensity and turbulence integral length scale. The new dynamic SGS model takes both advantages of one-equation SGS model and a dynamic production term without test-filtering operation, which is particular suitable to relative coarse grid situations and high Reynolds number flows. The results of comparative investigations with and without generation of inflow turbulence show that: (1) proper simulation of an inflow turbulent field is essential in accurate evaluation of dynamic wind loads on a tall building and the prescribed inflow turbulence characteristics can be adequately imposed on the inflow boundary by the DSRFG method; (2) the DSRFG can generate a large number of random vortex-like patterns in oncoming flow, leading to good agreements of both mean and dynamic forces with wind tunnel test results; (3) The dynamic mechanism of the adopted SGS model behaves adequately in the present LES and its integration with the DSRFG technique can provide satisfactory predictions of the wind effects on the super-tall building.
The paper reviews and discusses the substantive changes to the ASCE 49-21 Standard, Wind Tunnel Testing for Buildings and Other Structures. The most significant changes are the requirements for wind field simulations that utilize (i) partial turbulence simulations, (ii) partial model simulations for the flow around building Appurtenances, along with requirements for determining wind loads on products that are used at multiple sites in various configurations. These modifications tend to have the effect of easing the precise scaling requirements for flow simulations because it is not generally possible to construct accurate models for small elements placed, for example, on large buildings at the scales typically available in boundary layer wind tunnels. Additional discussion is provided on changes to the Standard with respect to measurement accuracy and data acquisition parameters, such as duration of tests, which are also related to scaling requirements. Finally, research needs with respect to aerodynamic mechanisms are proposed, with the goal of improving the understanding of the role of turbulence on separated-reattaching flows on building surfaces in order to continue to improve the wind tunnel method for determining design wind loads.
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.
Buffeting induced resonance (BIR) of hangers on long-suspension bridges is briefly reviewed, including mechanism and experimental verification. Taken the Xihoumen suspension bridge as a numerical example, sensitivities of the BIR of hangers to wind properties are investigated, including types of wind spectrum, turbulence intensity, and spacial coherence of wind fluctuations. Numerical simulations indicate that the BIR of hangers occur to both cases of different wind spectra, showing that it is insensitive to types of wind spectrum. On the other hand, it is found that the turbulence intensity affects buffeting of main cables almost in a linear manner, and so it does to the BIR of the hangers; however, the resonance factors, namely the ratio of the response of the hanger to that of the main cable, are little affected by the turbulence intensity. The spacial coherence of the wind fluctuations, although plays an important role on the buffeting responses of the main structure, has no substantial effects on the BIR of the hangers. Finally, replacement of steel strand with CFRP material has been verified as a very effective countermeasure against the BIR of hangers.
Aresti, Lazaros;Tutar, Mustafa;Chen, Yong;Calay, Rajnish K.
Wind and Structures
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v.17
no.6
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pp.647-670
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2013
The paper presents a numerical approach to study of fluid flow characteristics and to predict performance of wind turbines. The numerical model is based on Finite-volume method (FVM) discretization of unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) equations. The movement of turbine blades is modeled using moving mesh technique. The turbulence is modeled using commonly used turbulence models: Renormalization Group (RNG) k-${\varepsilon}$ turbulence model and the standard k-${\varepsilon}$ and k-${\omega}$ turbulence models. The model is validated with the experimental data over a large range of tip-speed to wind ratio (TSR) and blade pitch angles. In order to demonstrate the use of numerical method as a tool for designing wind turbines, two dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) simulations are carried out to study the flow through a small scale Darrieus type H-rotor Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). The flows predictions are used to determine the performance of the turbine. The turbine consists of 3-symmetrical NACA0022 blades. A number of simulations are performed for a range of approaching angles and wind speeds. This numerical study highlights the concerns with the self-starting capabilities of the present VAWT turbine. However results also indicate that self-starting capabilities of the turbine can be increased when the mounted angle of attack of the blades is increased. The 2-D simulations using the presented model can successfully be used at preliminary stage of turbine design to compare performance of the turbine for different design and operating parameters, whereas 3-D studies are preferred for the final design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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