The suspension bridge is situated in an area of complex topography with both open sea and overland turbulence characteristics, and it is subject to frequent typhoon occurrences. This paper investigates experimentally the possible vortex shedding events of the structure under high wind and typhoon conditions. A single-degree-of-freedom model for the vibration of a unit bridge deck section is adopted to determine the amplitude of vibration and to estimate the parameters related to the lifting force in a vortex shedding event. The results of the studies are presented in a companion paper (Law, et al. 2007). In this paper, statistical analysis on the measured responses of the bridge deck shows that the vibration response at the first torsional mode of the structure has a significant increase at and beyond the critical wind speed for vortex shedding as noted in the wind tunnel tests on a section model of the structure.
Statistical analysis on the measured responses of a suspension bridge deck (Law, et al. 2007) show that vibration response at the first torsional mode of the structure has a significant increase at and beyond the critical wind speed for vortex shedding as noted in the wind tunnel tests on a sectional model. This paper further analyzes the measured responses of the structure when under typhoon conditions for any possible vortex shedding events. Parameters related to the lifting force in such a possible event and the vibration amplitudes are estimated with a single-degree-of-freedom model of the system. The spatial correlation of vortex shedding along the bridge span is also investigated. Possible vortex shedding events are found at both the first torsional and second vertical modes with the root-mean-square amplitudes comparable to those predicted from wind tunnel tests. Small negative stiffness due to wind effects is observed in isolated events that last for a short duration, but the aerodynamic damping exhibits either positive or negative values when the vertical angle of wind incidence is beyond ${\pm}10^{\circ}$. Vibration of the bridge deck is highly correlated in the events at least in the middle one-third of the main span.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제2권2호
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pp.112-118
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2010
The numerical study about the vortex-induced vibration and vortex shedding in the wake has been presented. Prior to the numerical simulation of flexible riser systems concerning engineering conditions, efficiency validating of the proposed FSI solution method have been performed. The comparison between numerical simulation and published experimental data shows that the CFD method designed for FSI solution could give acceptable result for the VIV prediction of flexible riser/pipe system. As meaningful study on VIV and vortex shedding mode with the focus on flexible riser model systems, two kinds of typical simulation cases have been carried out. One was related to the simulation of vortex visualization in the wake for a riser model subject to forced oscillation, and another was related to the simulation of fluid-structure interaction between the pipes of coupled multi-assembled riser system. The result from forced oscillation simulation shows that the vortex-induced vibration with high response frequency but small instantaneous vibration amplitude contributes to vortex conformation as much as the forced oscillation with large normalized amplitude does, when the frequency of forced oscillation was relatively high. In the multi-assembled riser systems, it has been found that the external current velocity and the distance between two pipes are the critical factors to determine the vibration state and the steady vibration state emerging in quad-pipe system may be destroyed more easily than dual-pipe system.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제7권6호
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pp.1034-1043
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2015
This is the continuation of a numerical study on vortex shedding from a blunt trailing-edge of a hydrofoil. In our previous work (Lee et al., 2015), numerical schemes for efficient computations were successfully implemented; i.e. multiple domains, the approximation of domain boundary conditions using cubic spline functions, and particle-based domain decomposition for better load balancing. In this study, numerical results through a hybrid particle-mesh method which adopts the Vortex-In-Cell (VIC) method and the Brinkman penalization model are further rigorously validated through comparison to experimental data at the Reynolds number of $2{\times}10^6$. The effects of changes in numerical parameters are also explored herein. We find that the present numerical method enables us to reasonably simulate vortex shedding phenomenon, as well as turbulent wakes of a hydrofoil.
This study presents a mode analysis of 3D turbulent velocity data around a square-section building model to identify the dynamic system for Kármán-type vortex shedding. Proper orthogonal decomposition (POD) was first performed to extract the significant 3D modes. Magnitude-squared coherence was then applied to detect the phase consistency between the modes, which were roughly divided into three groups. Group 1 (modes 1-4) depicted the main vortex shedding on the wake of the building, with mode 2 being controlled by the inflow fluctuation. Group 2 exhibited complex wake vortexes and single-sided vortex phenomena, while Group 3 exhibited more complicated phenomena, including flow separation. Subsequently, a third-order polynomial regression model was used to fit the dynamics system of modes 1, 3, and 4, which revealed average trend of the state trajectory. The two limit cycles of the regression model depicted the two rotation directions of Kármán-type vortex. Furthermore, two characteristic periods were identified from the trajectory generated by the regression model, which indicates fast and slow motions of the wake vortex. This study provides valuable insights into 3D mode morphology and dynamics of Kármán-type vortex shedding that helps to improve design and efficiency of structures in turbulent flow.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제27권4호
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pp.232-244
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2023
The unsteady dynamics of the starting flow of a flat plate is studied by using a vortex shedding model. The model describes the body and separated vortex from the trailing edge of the plate by vortex sheets, retaining a singularity at the leading edge. The model is applied to simulate the flow of an accelerated plate for small angles of attack. For numerical computations, we take two representative cases of the translational velocity of a plate: impulsive translation and uniform acceleration. The model successfully demonstrates the formation of wakes shed from the plate. The wake behind the plate is stronger for a larger angle of attack. Predictions for the lifting force from the model are in agreement with results of Navier-Stokes simulations.
Experimental and numerical studies on the unsteady wake field behind a square cylinder near a wall were conducted to find out how the vortex shedding mechanism is correlated with gap flow. The computations were performed by solving unsteady 2-D Incompressible Reynolds Averaged Navier-Stokes equations with a newly developed ${\epsilon}-SST$ turbulence model for more accurate prediction of large separated flows. Through spectral analysis and the smoke wire flow visualization, it was discovered that velocity profiles in a gap region have strong influences on the formation of vortex shedding behind a square cylinder near a wall. From these results, Strouhal number distributions could be found, where the transition region of the Strouhal number was at $G/D=0.5{\sim}0.7$ above the critical gap height. The primary and minor shedding frequencies measured in this region were affected by the interaction between the upper and the lower separated shear layer, and minor shedding frequency was due to the separation bubble on the wall. It was also observed that the position (y/G) and the magnitude of maximum average velocity $(u/u_{\infty})$ in the gap region affect the regular vortex shedding as the gap height increases.
균일한 정상유동을 하는 유체 안에 가로놓인 원주로부터 일어나는 vortex유출을 이산 vortex 방법을 써서 vortex cloud모형으로 simulation했다. 원주표면에서 생겨나는 와도를 매 시간 간격마다 미리 정해진 많은 갯수의 이산화된 초생 vortex로 나타낸 후 기 유출된 vortex들에 합류시켜 누적된 vortex들의 운동을 탐색함으로서 vortex 분포 상태의 진화를 알아낸다. vortex들의 이동은 cloud-in-cell 기법을 써서 추적 하였고 항력 계수와 양력 계수는 Sarpkaya의 식과 Lee의 식을 써서 계산하여 실험치와 비교하였다. 계산 인수 사이의 상호 연관 관계를 논고하였으며 부분적이나마 적정값 선정 원칙을 제시하였다.
In this paper, the wake structures behind a square cylinder at the Reynolds number of 22,000 are simulated using the large eddy simulation, and the main features of the wake structure associated with unsteady vortex-shedding are investigated. The Smagorinsky model is used for parametrization of the subgrid scales. The finite element method with isoparametric linear elements is employed in the computations. Unsteady computations are performed using the explicit method with streamline upwind scheme for the advection term. The time integration incorporates a subcycling strategy. No-slip condition is enforced on the wall surface. A comparative study between two-and three-dimensional computations puts a stress on the three-dimensional effects in turbulent flow simulations. Simulated three-dimensional wake structures are compared with numerical and experimental results reported by other researchers. The results include time-averaged, phase-averaged flow fields and numerically visualized vortex-shedding pattern using streaklines. The results show that dynamics of the vortex-shedding phenomenon are numerically well reproduced using the present method of finite element implementation of large eddy simulation.
A noise prediction method of axial flow fan is developed by incorporating through-flow method and vortex shedding noise model. Fan noise is assumed to be generated due to the pressure fluctuation induced by wake vortices of fan blades and radiate as diploe distribution. The wake vortices are analyzed by combining Karman vortex street model and through-flow analysis results, and the vortex-induced fluctuating pressure on blade surface is calculated by thin airfoil theory. The predicted sound pressure levels and directivity patterns of fan noise by the present method are favorably compared with fan noise test data. Furthermore, the present method is shown to be very useful for predicting the aero-acoustic performance map of the fan operated at off-design point.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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