This paper presents results of calculations performed according to our own semi-empirical mathematical model of critical vortex excitation. All calculations are carried out using own computer program, which allows the simulation of both the across-wind action caused by vortices and the lateral response of analysed structures. Vortex excitation simulations were performed in real time taking into account wind-structure interaction. Several structures of circular cross-sections were modelled using a FEM program and calculated under the action of critical vortex excitation. Six steel chimneys, six concrete chimneys and two concrete towers were considered. The method of selection and estimation of the experimental parameters describing the model are also presented. Finally, the results concerning maximum lateral top displacements of the structures are compared with available full-scale data for steel and concrete chimneys.
This paper presents theoretical background for a semi-empirical, mathematical model of critical vortex excitation of slender structures of compact cross-sections. The model can be applied to slender tower-like structures (chimneys, towers), and to slender elements of structures (masts, pylons, cables). Many empirical formulas describing across-wind load at vortex excitation depending on several flow parameters, Reynolds number range, structure geometry and lock-in phenomenon can be found in literature. The aim of this paper is to demonstrate mathematical background of the vortex excitation model for a theoretical case of the structure section. Extrapolation of the mathematical model for the application to real structures is also presented. Considerations are devoted to various cases of wind flow (steady and unsteady), ranges of Reynolds number and lateral vibrations of structures or their absence. Numerical implementation of the model with application to real structures is also proposed.
Kim, Mun-Ki;Han, Jeong-Jae;Yoon, Sang-Wook;Yoon, Young-Bin
Journal of the Korean Society of Combustion
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v.10
no.1
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pp.13-19
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2005
Measurements of flame length and NOx emissions have been conducted to investigate the effects of acoustic excitation on flame structure in turbulent hydrogen diffusion flames with coaxial air. When the acoustic excitation of a specific frequency is applied to coaxial air stream, flame length is dramatically reduced, resulting in reduction of flame residence time. Consequently, EINOx could decrease up to 35 % and this shows that acoustic excitation is effective in reducing NOx emissions. Mie scattering technique has been used to visualize the vortex structure induced by acoustic excitation and vortex formation, development and destruction were observed quantitatively. As a result, vortex entrains coflow air into fuel stream and mixing rate between fuel and air is significantly enhanced, which may contribute to reduction of NOx emissions.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.23
no.5
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pp.603-609
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1999
The effect of an external acoustic excitation on the wake structure behind a circular cylinder was experimentally investigated. The sound wave was excited in the frequency range of the shear layer instability and two sound pressure levels of 114 and 120dB were used in this study. As a result, the acoustic excitation modified the wake structure by increasing the velocity fluctuation energy without changing the vortex shedding frequency. The acoustic excitation enhanced the vortex shedding process and promoted the shear layer instability. Consequently, the acoustic excitation reduced the length of the vortex formation region and decreased the base pressure. In addition, the vortex strength of vortices was increased and the width of the wake was spread out due to the acoustic excitation. When the excitation frequency was identical to the shear layer instability frequency, the effect of the external flow control on the cylinder wake was maximized. In addition, with increasing the sound pressure level, the effect of the external acoustic excitation on the wake structure increased.
Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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v.12
no.3
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pp.109-115
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2000
Numerical model is proposed to estimate dynamic responses of riser with vortex excitation by inline current. Galerkin's finite decomposition method is implemented for the development of a numerical model and vortex excitation is modeled by coupled wake oscillator proposed by Blevins. The numerical results are inspected through the physical interpretation to give the verification and usefulness of the suggested numerical model.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.24
no.3
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pp.373-381
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2000
The flow and heat transfer characteristics on the impingement surface can be controlled by the change of vortex with the acoustic excitation, because the flow characteristics of an impinging jet are affected strongly by the vortices formed at the jet exit. To investigate the effects of acoustic excitation, we measured the velocity, turbulent intensity distributions for the free jet and local heat transfer coefficients on a impingement surface. As the acoustic excitation, subharmonic frequency of excited frequency plays an important role to the control of the jet flow. If the vortex pairings are promoted by the acoustic excitation, turbulence intensity of the jet flow is increased quickly. On the other hand if the vortex pairings are suppressed, the jet flow has low turbulence intensity at the center of the jet. Therefore, the low heat transfer rates are obtained on the impingement plate for a small nozzle-to-plate distance. However, it has high heat transfer rates at a large distance between the nozzle and plate due to the increasing of potential-core length.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.21
no.1
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pp.153-164
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1997
Flame oscillation phenomena in a co-flow diffusion flame was experimentally studied with periodic fuel supply using a solenoid valve. The degree of excitation was controlled by changing the volume flux of fuel passing through the valve. Flame oscillation frequencies were measured utilizing a photodiode, a spectrum analyzer, video and high speed movies. Laser planar visualization was employed to study the correlation between the flame oscillation and the toroidal vortices. Observed are three regimes of flame oscillation, where the oscillation frequencies are for the multiples of excitation, the excitation itself and the flame natural oscillation. Both periods of natural oscillation and of excitation induced oscillation exist over one cycle of the excitation in the frequency multiplied regime. It is considered as an effect of balancing the influence of buoyancy driven vortex with that of excitation induced vortex near the excitation rate of 0.2. Flame shapes are become monotonous as increasing the excitation frequency to the range of over two fold of the natural oscillation. The flame oscillation can be modulated to the frequency of either multiples of excitation or excitation itself under certain conditions. This implies that the flame oscillation could be modulated to avoid the resonance frequency of the combustor, and shows the possibility of active control of the flame oscillation.
Kim, Mun-Ki;Oh, Jeong-Seog;Choi, Young-Il;Yoon, Young-Bin
한국가시화정보학회:학술대회논문집
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2007.11a
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pp.149-154
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2007
This study examines the effect of acoustic excitation using forced coaxial air on the flame characteristics of turbulent hydrogen nonpremixed flames. A resonance frequency was selected to acoustically excite the coaxial air jet due to its ability to effectively amplify the acoustic amplitude and reduce flame length and NOx emissions. Acoustic excitation causes the flame length to decrease by 15 % and consequently, a 25 % reduction in EINOx is achieved, compared to a flame without acoustic excitation. Moreover, acoustic excitation induces periodical fluctuation of the coaxial air velocity, thus resulting in slight fluctuation of the fuel velocity. From phase-lock PIV and OH PLIF measurement, the local flow properties at the flame surface were investigated under acoustic forcing. During flame-vortex interaction in the near field region, the entrainment velocity and the flame surface area increased locally near the vortex. This increase in flame surface area and entrainment velocity is believed to be a crucial factor in reducing flame length and NOx emission in coaxial jet flames with acoustic excitation. Local flame extinction occurred frequently when subjected to an excessive strain rate, indicating that intense mass transfer of fuel and air occurs radially inward at the flame surface.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.13
no.1
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pp.27-33
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2012
The relationship between the excitation frequency and the vortex shedding frequency is analyzed during the oscillation of the circular cylinder. Two-dimension unsteady Navier-Stoke's equation is calculated by using the Optimized High Order Compact (OHOC) scheme. The flow condition is Mach number 0.3 and Reynold's number 1000. From the results acquired by calculation, it can be inferred that, when the excitation frequency is near the vortex shedding frequency at the fixed cylinder wake, the oscillation frequency of lift and drag coefficients appears to lock-on. The lock-on refers to a phenomenon in which the aerodynamic coefficient appears as one primary oscillation frequency through excitation and its amplitude is amplified. In the non-lock-on zone, the excitation frequency is not in the lock-on mode anymore and beat is formed in which two or more primary oscillation frequencies of the aerodynamic coefficient are mixed together.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.17
no.12
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pp.1223-1229
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2007
Flow traveling over a cavity opening forms a vortex due to unstable shear layer and induces an aerodynamic pressure excitation from the diffusion of the vortex convecting out of the trailing edge of the opening. The interaction between the excitation force and the cavity response sustains resonance in the resonator(cavity) and locked-in vortex shedding at the leading edge of the opening. The aerodynamic excitation force can be described from the diffusion of the vortex over the trailing edge and the level of its diffusivity is related to the strength of vorticity seeded at the leading edge. In this study, the control scheme of the internal pressure oscillation was proposed from regulating the vorticity at the leading edge by use of an oscillating spoiler. It was found that the relative motion between the spoiler and the air mass at the cavity opening influenced vorticity strength and the control was achieved by direct feedback of the cavity pressure fluctuation to the actuator.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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