Yi Zhao;Guirong Yan;Ruoqiang Feng;Zhongdong Duan;Houjun Kang
Wind and Structures
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v.38
no.4
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pp.245-259
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2024
In a tornadic wind field, the vertical velocity component in certain regions of tornadoes can be significant, forming one of the major differences between tornadic wind fields and synoptic straight-line wind fields. To better understand the wind characteristics of tornadoes and properly estimate the action of tornadoes on civil structures, it is important to ensure that all the attributes of tornadoes are captured. Although Doppler radars have been used to measure tornadic wind fields, they can only directly provide information on quasi-horizontal velocity. Therefore, lots of numerical simulations and experimental tests in previous research ignored the vertical velocity at the boundary. However, the influence of vertical velocity in tornadic wind fields is not evaluated. To address this research gap, this study is to use an approach to derive the vertical velocity component based on the horizontal velocities extracted from the radar-measured data by mass continuity. This approach will be illustrated by using the radar-measured data of Spencer Tornado as an example. The vertical velocity component is included in the initial inflow condition in the CFD simulation to assess the influence of including vertical velocity in the initial inflow condition on the entire tornadic wind field.
A quality check algorithm for the Weather Information Service Engine pulsed Doppler wind lidar is developed from a view point of spatial and temporal consistencies of observed wind speed. Threshold values for quality check are determined by statistical analysis on the standard deviation of 3-component of wind speed obtained by a wind lidar, and the vertical gradient of horizontal wind speed obtained by a radiosonde system. The algorithm includes carrier-to-noise ratio (CNR) check, data availability check, and vertical gradient of horizontal wind speed check. That is, data sets whose CNR is less than -29 dB, data availability is less than 90%, or vertical gradient of horizontal wind speed is less than $-0.028s^{-1}$ or larger than $0.032s^{-1}$ are classified as 'doubtful', and flagged. The developed quality check algorithm is applied to data obtained at Bucheon station for the period from 1 to 30 September 2015. It is found that the number of 'doubtful' data shows maxima around 2000 m high, but the ratio of 'doubtful' to height-total data increases with increasing height due to atmospheric boundary height, cloud, or rainfall, etc. It is also found that the quality check by data availability is more effective than those by carrier to noise ratio or vertical gradient of horizontal wind speed to remove an erroneous noise data.
The focus of this article is on the assessment of vertical wind vector components and their aerodynamic impact on lattice framework, specifically two distinct sections of a guyed transmission tower. Thunderstorm winds, notably very localized events such as convective downdrafts (including downbursts) and tornadoes, result in a different load on a tower's structural system in terms of magnitude and spatial distribution when compared to horizontal synoptic winds. Findings of previous model-scale experiments are outlined and their results considered for the development of a testing rig that allows for rotation about multiple body axes through a series of wind tunnel tests. Experimental results for the wind loads on two unique experimental models are presented and the difference in behaviour discussed. For a model cross arm with a solidity ratio of approximately 30%, the drag load was increased by 14% when at a pitch angle of $20^{\circ}$. Although the effects of rotation about the vertical body axis, or the traditional 'angle of attack', are recognized by design codes as being significant, provisions for vertical winds are absent from each set of wind loading specifications examined. The inclusion of a factor to relate winds with a vertical component to the horizontal speed is evaluated as a vertical wind factor applicable to load calculations. Member complexity and asymmetric geometry often complicate the use of lattice wind loading provisions, which is a challenge that extends to future studies and codification. Nevertheless, the present work is intended to establish a basis for such studies.
To investigate the nonlinear aerostatic stability of the Hutong cable-stayed rail-cum-road bridge with ultra-kilometer main span, a FEM bridge model is established. The tri-component wind loads and geometric nonlinearity are taken into consideration and discussed for the influence of nonlinear parameters and factors on bridge resistant capacity of aerostatic instability. The results show that the effect of initial wind attack-angle is significant for the aerostatic stability analysis of the bridge. The geometric nonlinearities of the bridge are of considerable importance in the analysis, especially the effect of cable sag. The instable mechanism of the Hutong Bridge with a steel truss girder is the spatial combination of vertical bending and torsion with large lateral bending displacement. The design wind velocity is much lower than the static instability wind velocity, and the structural aerostatic resistance capacity can meet the requirement.
The effects of steep and shallow hills on a stationary tornado-like vortex with a swirl ratio of 0.4 are simulated and quantified as Fractional Speed Up Ratios (FSUR) at three different locations of the vortex with respect to the crests of the hills. Steady state Reynolds Averaged Naiver Stokes (RANS) equations closed using Reynolds Stress Turbulence model are used to simulate stationary tornadoes. The tornado wind field obtained from the numerical simulations is first validated with previous experimental and numerical studies by comparing radial and tangential velocities, and ground static pressure. A modified fractional speed-up ratio (FSUR) evaluation technique, appropriate to the complexity of the tornadic flow, is then developed. The effects of the hill on the radial, tangential and vertical flow components are assessed. It is observed that the effect of the hill on the radial and vertical component of the flow is more pronounced, compared to the tangential component. Besides, the presence of the hill is also seen to relocate the center of tornadic flow. New FSUR values are produced for shallow and steep hills.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.44
no.5
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pp.399-406
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2016
The large scale wind turbine blades usually experience periodic change of inflow speed due to blade rotation inside the ground shear flow region. Because of the vertical wind shear, the inflow velocity in the boundary layer region is maximum at uppermost position and minimum at lowermost position. These spatial distribution of wind speeds can lead to the periodic oscillation of the 6-component loads at hub and low speed shaft of the wind turbine rotor. In this study we compare the aerodynamic loads between two inflow conditions, i.e, uniform flow (no vertical wind shear effect) and normal wind profile. From the computed results all of the relative errors for oscillating amplitudes increased due to the ground shear flow effect. Especially bending moment and thrust at hub, and bending moments at LSS increased enormously. It turns out that the aerodynamic analysis including the ground shear flow effect must be considered for fatigue analysis.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.8
no.1
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pp.28-36
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1996
The influence of vertical eddy viscosity to the nonlinear interaction of tidal current and wind-induced current is examined using a point model. A zero-equation turbulence model is derived by simplifying the q$^2$-q$^2$1 turbulence model under the assumption that the generation of turbulence kinetic energy is balanced with its dissipation and is further modified to include the depth of frictional influence properly The zero-equation turbulence model is derived and the possibility of resonance in the presence of Coriolis effect is suggested. The amplitudes of tidal currents remain the same regardless of the applied wind stress, but the over-tide component is generated due to the nonlinear interaction of tidal current and wind-induced current. Significant changes in the vertical profile of wind-induced currents can occur according to tide-induced background turbulence. The turbulence model can give rise to misleading results when applied to the wind-driven circulation in the tide-dominated sea such as Yellow Sea unless the tide-induced background turbulence is adequately included in the parameterization of vertical eddy viscosity.
In this study, two-step statistical approach including Principal Component Analysis (PCA) and Multiple Linear Regression (MLR) was employed, and main meteorological factors explaining the high-PM2.5 episodes were identified in two regions: Seoul and Busan. We first performed PCA to isolate the Principal Component (PC) that is linear combination of the meteorological variables observed at two levels: surface and 850 hPa level. The employed variables at surface are: temperature (T2m), wind speed, sea level pressure, south-north and west-east wind component and those at 850 hPa upper level variables are: south-north (v850) and west-east (u850) wind component and vertical stability. Secondly we carried out MLR analysis and verified the relationships between PM2.5 daily mean concentration and meteorological PCs. Our two-step statistical approach revealed that in Seoul, dominant factors for influencing the high PM2.5 days are mainly composed of upper wind characteristics in winter including positive u850 and negative v850, indicating that continental (or Siberian) anticyclone had a strong influence. In Busan, however, the dominant factors in explanaining in high PM2.5 concentrations were associated with high T2m and negative u850 in summer. This is suggesting that marine anticyclone had a considerable effect on Busan's high PM2.5 with high temperature which is relevant to the vigorous photochemical secondary generation. Our results of both differences and similarities between two regions derived from only statistical approaches imply the high-PM2.5 episodes in Korea show their own unique characteristics and seasonality which are mostly explainable by two layer (surface and upper) mesoscale meteorological variables.
Korean Journal of Agricultural and Forest Meteorology
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v.25
no.4
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pp.415-426
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2023
In this study, the horizontal and vertical structure of wind speed and wind direction were analyzed at the origin of migratory insect pests in China. Wind rose analysis was carried out using the Land-Atmosphere Modeling Package (LAMP) - WRF data, which has the spatiotemporal resolution of about 20 km and 1 hour intervals. Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory (HYSPLIT) was employed for backward trajectory analysis between South Korea and Southeastern China with Global Data Assimilation System (GDAS). The research interest date is July 16, when rice planthopper and leafhopper were observed at the same time. In order to examine where a jet stream occurs in the vertical in source regions and South Korea during the period (July 8 to July 17 in 2021), three-dimensional wind information was extracted and analyzed using the east-west, north-south, and vertical component wind data of the LAM P. The vertical distribution of wind showed that the wind changed in favor of the inflow of migratory insect pests during the period. As a result of analyzing the wind rose, about 30% or more of the wind at a point close to South Korea was classified into the low-level jet stream. In addition, majority of the wind directions for the low-level jet streams (rather than high-level jet streams) at the five origin sites were heading toward South Korea and even Japan, and this was supported by the HYSPLIT-based backward trajectory analysis.
Wind action is a factor of fundamental importance in the structural design of light or slender constructions. Codes for structural design usually assume that the incident mean wind velocity is parallel to the ground, which constitutes a valid simplification for frequent winds caused by meteorological phenomena such as Extratropical Storms (EPS) or Tropical Storms. Wind effects due to other phenomena, such as thunderstorms, and its combination with EPS winds in so-called squall lines, are simply neglected. In this paper a model that describes the three-dimensional wind velocity field originated from a downburst in a thunderstorm (TS) is proposed. The model is based on a semi empirical representation of an axially-symmetrical flow line pattern that describes a stationary field, modulated by a function that accounts for the evolution of the wind velocity with time. The model allows the generation of a spatially and temporally variable velocity field, which also includes a fluctuating component of the velocity. All parameters employed in the model are related to meteorological variables, which are susceptible of statistical assessment. A background wind is also considered, in order to account for the translational velocity of the thunderstorm, normally due to local wind conditions. When the translation of the TS is caused by an EPS, a squall line is produced, causing the highest wind velocities associated with TS events. The resulting vertical velocity profiles were also studied and compared with existing models, such as the profiles proposed by Vicroy, et al. (1992) and Wood and Kwok (1998). The present model predicts horizontal velocity profiles that depend on the distance to the storm center, effect not considered by previous models, although the various proposals are globally compatible. The model can be applied in any region of interest, once the relevant meteorological variables are known, to simulate the excitation due to TS winds in the design of transmission lines, long-span crossings, cable-stayed bridges, towers or similar structures.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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