고차모드를 고려한 수중날개 와류기인 진동특성 연구

최현규,홍석윤,송지훈,장원석,최원석 해양환경안전학회 2022 해양환경안전학회지 Vol.28 No.2

Vortex-induced vibration (VIV) occurs owing to the vortex generated from the back side of the appendages of ships and submarines during operation. Recently, the importance of high-order modes (HOMs) vibration and fatigue failure has become increasingly emphasized by increasing the speed of ships and the size of structures. In addition, predicting the vibration of HOMs is significantly necessary as the VIV becomes stronger in the fast flow speed condition than in the low flow speed condition. This study introduces a methodology according to HOMs hybrid Fluid Structure Interaction (FSI) for predicting the HOMs VIV on the hydrofoils. The HOMs FSI system is verified by comparing the VIV results from the FSI simulation with the experimental results. Finally, the effectiveness of the HOMs FSI is determined by applying the maximum von-Mises stress obtained from the VIV on the hydrofoil to the S-N curve released from Det Norske Veritas (DNV). VIV results from the HOMs FSI include the lock-in characteristics as well as a significant increase of more than 10 times compared with that of low-order modes (LOMs) FSI. In the future works, advanced studies will be required for improving cantilever boundary conditions and the shape of hydrofoils. 선박, 잠수함이 추진하면 수중구조물 후류에 와류가 발생하고 이에 따른 와류기인 구조진동이 유발된다. 최근 선박, 잠수함의 고속화 및 대형화 추세에 따라 고차모드에서 유발되는 와류기인 진동 및 피로파괴에 대한 중요성이 강조되고 있다. 고속 유속환경의 와류는 저속 유속환경 대비 큰 진동을 유발하므로 이에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 수중날개 고차모드에서 유발되는 와류기인 진동을 예측하기 위한 하이브리드 유체구조연성 해석 방법론을 제시하였다. 고차모드를 고려한 하이브리드 유체구조연성 해석을 수행하여 와류기인 진동을 도출하고 실험결과와 비교함으로써 방법론을 검증하였다. 최종적으로 와류기인 진동으로부터 도출된 최대 von Mises 응력을 노르웨이 선급에서 제시한 S-N 선도에 적용함으로써 고차모드 유체구조연성 해석의 효용성을 확인하였다. 고차모드를 고려하여 와류기인 진동응답을 도출할 경우 유체구조연성에 의한 락인(Lock-in) 특성을 확인하였으며 고려하지 않은 경우 대비 진동응답과 최대 von Mises 응력에서 10배 이상의 차이를 보였다. 향후에는 외팔보 경계조건 및 형상에 대한 확장연구가 필요하다.

부공력감쇠를 고려한 와류하중모델의 진동예측성능

황재승 한국풍공학회 2021 한국풍공학회지 Vol.25 No.4

부공력감쇠는 풍직각방향의 와류공진을 예측하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 부공력감쇠는 진동유발하중 또는 피드백 하중을 구성하는 주요인자로 와류진동이 급격히 발현되는 현상을 설명하는 도구이기도 하다. 본 연구에서는 공력감쇠의 수학적 모델 을 제시하고 와류유발하중모델과 함께 와류진동을 예측하는 프러세스를 제안한다. 직사각형단면에 대한 공기력진동실험을 수행하여, 계측된 가속도로부터 공력감쇠와 와류유발하중을 추정하고 이에 기반하여 공력감쇠모델과 와류유발하중모델을 구축하는 과정을 다룬 다. 최종적으로 공력감쇠모델과 와류유발하중 모델에 대한 재해석을 통하여 가속도응답을 구하고 계측된 가속도와 비교하여 모델의 진동예측성능을 평가한다. 본 연구에서 제안된 와류하중모델의 진동예측성능을 평가한 결과 안정적이며, 신뢰도가 높은 와류진동예측 이 가능함을 알 수 있었다. The negative aerodynamic damping is a very crucial parameter in estimating the vortex induced resonance(VIR) in the across-wind direction. Aerodynamic damping is a major factor constituting so-called motion induced load or feedback load, and it is also a tool to explain the rapid manifestation of VIR. In this study, a mathematical model of aerodynamic damping are evaluated, and a process for predicting vortex induced vibration(VIV) along with vortex induced load model is proposed. By performing aeroelastic model test of a slender structure with a rectangular section, the aerodynamic damping and vortex-induced load are identified from the measured acceleration, based on these results, the mathematical models for aerodynamic damping and vortex induced load with respect to the wind speed were constructed. Finally, vibration estimation performance was evaluated by comparing the measured acceleration with the acceleration response obtained through re-analysis using the aerodynamic damping model and the vortex induced load model. From the numerical results, it was found that mathematical model of across wind load model are able to reliably predict VIV with a high reliability.

원형 실린더 구조물의 와류하중 모델추정법

황재승 한국풍공학회 2019 한국풍공학회지 Vol.23 No.2

지난 50여 년간의 연구를 통해서 와류진동의 발생메커니즘과 폭 넓은 이해를 위한 수학적 모델이 제시된바 있으나 대부분 실 험적 고찰과 경험적 모델에 기반한 현상학적인 접근이 주로 이루어졌다. 와류진동과 그에 수반된 독특한 현상, 유체의 흐름과 구조물의 상호작용에 내포되어 있는 복합성과 난해성은 지금도 많은 연구자들의 관심을 불러일으키고 있으며, 와류진동에 대한 원초적인 발생원인 규명에 대한 새로운 도전이 지속적으로 제기되고 있다. 본 연구에서는 하중식별법에 의해 와류하중을 직접 추출하고 스펙트럼 형상분석을 통하여 와류하중을 구성하는 요소하중을 도출하는 과정을 보였다. 와류진동을 구성하는 요소하중은 구조물의 속도가 공력 감쇠에 의하여 피드백되는 하중, 와의 발생에 의한 하중(스트로할 성분에 의한 순수와류하중), 풍직각방향 버펫팅 하중으로 구분됨을 알 수 있었다. 각 요소 하중이 구조물 응답에 미치는 영향을 분석하여 본 연구에서 제시된 와류하중 모델도출법의 정합성을 보임으로서, 모델 구축방법의 타당성을 제시하였다. 이들 요소하중에 대한 정량적인 수학적 모델의 정립을 위해서는 피드백하중의 공력감쇠예측, 순수와류하중 스펙트럼의 정량적인 분포와 그 크기 예측, 버펫팅 하중의 스펙트럼 성상 예측이 이루어져야 한다. 이를 위해 풍동실험, 실계측과 같은 현상학적인 접근방법과 유체 흐름의 정형화된 수학적 모델인 나비에-스톡스 방정식과 연계된 CFD 해석을 병행하여 와류하중을 구성하는 요소하중들에 대한 정량화된 수학적 모델의 정립이 요구된다. Through the last 50 years of research history, mathematical models for vortex induced vibration(VIV) and its wide understanding have been addressed, but mostly phenomenological approaches based on experimental investigations and empirical models have been made. The unique phenomenon associated with VIV, and the complexity inherent in fluid-structure interactions are still attracting much research interest, and new challenges for identifying the origin of VIV are constantly issued. In this study, vortex induced load(VIL) was directly extracted by the force identification technique and the load components constituting VIL was illustrated through the spectrum shape analysis. From the analysis, it is found that VIL consisted of three independent loads: the structural velocity feedback load associated with the aerodynamic damping, pure vortex induced load with respect to Strohal component, and the acrosswind buffeting load. The validity of the model framework provided in this study is shown by analyzing the effect of each load on the response of the structure. In order to establish a more quantitative mathematical model for these component loads, the aerodynamic damping, the quantitative distribution of the pure VIL spectrum, and the spectral property of the buffeting load should be illustrated more accurately. For this, a phenomenological approach such as wind tunnel test, and field measurement should be collaborated with CFD technique based on the Navier-Stokes equation, which is a formal physical, mathematical model of fluid motion, to construct quantitative mathematical models of VIL.

하중추정기법에 의한 원형 실린더 구조물의 와류하중추정

황재승,이상현,우성식,문대호 한국풍공학회 2017 한국풍공학회지 Vol.21 No.4

Various vibration phenomena due to the wind flow occur in the structure. Among them, the vortex induced vibration (VIV) has great influence on the structure with large vibration by the lock-in phenomenon at the vortex shedding frequency which is identical with the natural frequency of the structure. However, most of the vortex phenomena were observed in the uniform flow. In this study, the effect of turbulence flow on the VIV was evaluated by the atmospheric boundary layer wind tunnel test. From the measured acceleration from the elastic model test, the first mode vortex load which generates vortex vibration is estimated by using the force identification method and the characteristics are analyzed. The spectrum of the estimated vortex load shows that vortex shedding frequency was dominant at the wind speed corresponding to about 88-90% of the top wind velocity of the structure. Also, as the wind speed gradually increased, the frequency range of the spectrum of vortex load increased. It is considered that this phenomenon can be used to more effectively understand the across wind of a high-rise building structure. 기류흐름에 의한 다양한 진동현상이 구조물에 발생한다. 이중 와류에 의한 진동은 구조물의 고유진동수와 일치하는 와류의 방출진동수에서는 Lock-in 현상에 의해 큰 진동을 유발하며 구조물에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 그러나 대부분의 와류 현상은 등류에서 관찰되는 현상을 대상으로 이루어졌다. 본 연구에서는 대기 경계층에서 높이에 따라 풍속이 변화하는 난류에 의하여 구조물에 발생하는 와류의 영향을 풍동실험을 통하여 평가하였다. 탄성체 모형실험으로부터 계측된 가속도로부터 하중추정법을 이용 하여 와류진동을 발생시키는 1차 모드 와류하중을 추정하였으며 그 특성을 분석하였다. 추정된 와류하중의 스펙트럼을 보면 구조물 최상층 풍속의 약 88-90%에 해당하는 풍속에서 와류방출진동수가 두드러지게 나타나면서 피크를 형성하는 것으로 나타났다. 또한, 풍속이 점차 증가할수록 와류하중의 스펙트럼의 진동수범위가 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 난류에 의한 와류하중을 특성을 반영하면 초고층 구조물 등에 발생하는 풍직각 방향의 진동현상을 보다 효과적으로 파악하는데 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

합성데이터를 이용한 비지도학습 기반 실시간 와류진동 탐지모델

이선호,김선중 한국전산구조공학회 2023 한국전산구조공학회논문집 Vol.36 No.5

장대교량은 낮은 고유진동수와 감쇠비를 가지는 초유연구조물로 진동사용성 문제에 취약하다. 하지만 현재 국내 설계지침에서는 풍속이나 진폭에 대한 임계값을 기반으로 유해진동 발생 여부를 평가하고 있다. 본 연구에서는 장대교량에서 발생하는 유해진동을 보다 정교하게 식별하기 위하여 딥러닝 기반 신호분할 모델을 활용한 데이터 포인트 단위의 와류진동 식별 방법론을 제안한다. 특별히 포락선을 가지는 사인파를 활용하여 와류진동에 해당하는 데이터를 합성함으로써 모델 구축에 필수적인 와류진동 데이터 획득 및 라벨링 과정을 대체하였다. 이후 푸리에 싱크로스퀴즈드 변환를 적용하여 시간-주파수 특징을 추출하여 신경망의 인풋 데이터로 사용하였다. 합성데이터만을 이용하여 양방향 장단기 기억신경망(Bidirectional Long-Short-Term-Memory) 모델을 훈련하였고 이를 라벨 정보를 포함한 실제 사장교의 계측데이터를 이용하여 학습한 모델과 비교하여 모델의 실시간 와류진동 식별 성능을 검증하였다. Long-span bridges are flexible structures with low natural frequencies and damping ratios, making them susceptible to vibrational serviceability problems. However, the current design guideline of South Korea assumes a uniform threshold of wind speed or vibrational amplitude to assess the occurrence of harmful vibrations, potentially overlooking the complex vibrational patterns observed in long-span bridges. In this study, we propose a pointwise vortex-induced vibration (VIV) detection method using a deep-learning-based signalsegmentation model. Departing from conventional supervised methods of data acquisition and manual labeling, we synthesize training data by generating sinusoidal waves with an envelope to accurately represent VIV. A Fourier synchrosqueezed transform is leveraged to extract time-frequency features, which serve as input data for training a bidirectional long short-term memory model. The effectiveness of the model trained on synthetic VIV data is demonstrated through a comparison with its counterpart trained on manually labeled real datasets from an actual cable-supported bridge.

역추정된 풍직각방향 모달하중에 기초한 원형 실린더 구조물의 공력감쇠비 산정

황재승 한국풍공학회 2019 한국풍공학회지 Vol.23 No.1

Aerodynamic damping has been recognized as one of the most useful factors to evaluate the vortex induced vibration of a slender structure. However, conventional estimation methods of the aerodynamic damping have been mainly based on the system identification technology in associated with the structural responses, so that these have some limitations in directly understanding the role and characteristics of aerodynamic damping inherent in the vortex induced load. In this study, by directly identifying vortex induced load with force identification method, the components and the causative factors of vortex induced load are evaluated. For this purpose, the aeroelastic model test for circular section was performed in the boundary layered wind tunnel, and then the vortex induced load and the aerodynamic damping ratio are subsequently identified. From the analysis study, it is found that the vortex induced load is composed of the modal velocity induced load, where the modal velocity of the structure is converted to wind load by aerodynamic damping, and the pure vortex induced load formed by the instantaneous across wind velocity. The aerodynamic damping is changed into negative damping when vortex induced frequency is approaching to the natural frequency of the aeroelastic model, and resulting in the vortex induced resonance due to the decrease in total damping. Based on the results, the mathematical model for vortex induced load can be constructed in the turbulent wind, and it can be used to more effectively understand the across-wind response of high-rise building. 공력감쇠는 와류에 의한 풍직각방향의 응답을 평가하는데 매우 유용한 인자로 인식되어 왔다. 그러나 기존의 공력감쇠 산정방식은 구조물 응답에 기반한 시스템 식별기술을 적용하는 것으로 와류하중속에 포함되어 있는 공력감쇠의 역할과 특성을 파악하는데 한계를 가지고 있었다. 본 연구에서는 하중식별기술을 적용하여 와류하중을 직접적으로 구함으로써 와류하중을 구성하는 요소와유발요인을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 대기 경계층에서 원형 실린더 모델에 대한 공탄성 실험을 수행하여 풍직각방향 와류하중을 추정하였으며 그로부터 공력감쇠의 특성을 분석하였다. 분석결과, 와류하중은 구조물 모달속도가 공력감쇠에 의해 풍하중으로 전환되는 모달속도하중과 변동풍속에 의해 형성되는 순수 와류하중으로 구성되는 것으로 나타났다. 공력감쇠는 최상층 평균풍속에 의한와류방출진동수가 구조물의 고유진동수에 근접하면서 부감쇠를 가지며 그 결과 총 감쇠가 작아져 응답증폭현상을 유발하는 것으로 파악되었다. 본 연구결과에 기초하면, 난류상태에서 와류하중 특성이 반영된 와류하중모델 구축이 가능할 것으로 사료되며, 구조물 풍직각방향 진동을 보다 효과적으로 파악하는데 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

진동하는 평판들에서의 플래핑 추진

안준성(Junesung Ahn),한철회(Cheolheui Han),김창희(Changhee Kim),조진수(Jinsoo Cho) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.10

이산와류법(discrete vortex method)을 이용하여 진동하는 평판들로부터 추력발생을 연구하였다. 평판들과 후류들은 이산와류로 나타내었다. 진동하는 평판들 사이의 복잡한 공력상호작용을 정확히 계산하기 위하여 와핵모델(vortex core model)과 와핵첨가법(vortex core addition scheme)을 사용하였다. 단일 평판이 히빙진동을 할 경우 나타나는 후류를 계산하여 기존의 유동가시화 결과와 비교하였다. 피칭진동 시 평판에서 발생하는 후류형상이 평판들의 추진 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 3가지 방식(1. 하나의 평판은 고정 다른 평판은 진동, 2. 두개의 평판이 같은 위상으로 진동, 3. 두개의 평판이 반대의 위상으로 진동)으로 진동하는 평판들의 추진특성을 계산하였다. 반대의 위상으로 진동하는 평판이 가장 큰 추진력을 보였다. The propulsive characteristics of oscillating flat plates are investigated using a discrete vortex method. The plates and their wakes are represented by discrete point vortices. To analyze the closely coupled aerodynamic interference between the plates, a vortex core model and a vortex core addition scheme are combined. A calculated wake shape for a flat plate in heaving oscillation is compared with flow visualization. The effect of wake shapes on the propulsive characteristics of the plates in pitching oscillation is investigated. The propulsive characteristics of oscillating plates with three cases (1. one is stationary and another is oscillating, 2. both oscillating in phase, 3. both oscillating out of phase) are calculated. The plates oscillating out of phase showed the largest thrust force among the three cases.

와류진동 메카니즘 변화를 통한 초고층건축물의 풍진동저감

조강표,이옥진,김무환 한국풍공학회 2009 한국풍공학회지 Vol.13 No.1

초고층 건축물은 매우 세장하여 지진하중보다는 오히려 풍하중에 대해 매우 취약하다. 이러한 초고층건축물에 작용하는 풍진동은 buffeting, 와류 및 wake에 의해서 주로 발생한다. 풍진동은 구조적인 안전성뿐만 아니라 거주 성을 결정짓는 중요한 인자이다. 본 논문에서는 풍진동을 줄이기 위해 와류진동에 대한 메커니즘을 변화시켜 저감효과를 연구하였다. 원형기둥과 원형기둥에 대하여 공력학적 형상으로 변화시킨 경우에 각각 rib와 spiral을 설치하였다. 풍동실험결과, rib와 spiral의 효과는 풍직각 방향에서 비슷한 저감정도를 보였고 원형기둥을 공력학적으로 변화시킨 형상에 rib와 spiral을 사용함으로써 공력학적인 이점이 복합적으로 작용하여 원형기둥의 풍직각방향에 대해 50%정도의 저감효과가 있었다. Tall buildings are very slender more vulnerable to strong winds than earthquakes. Wind-induced vibration on tall buildings are largely due to buffeting, vortex-shedding, and wake. Wind-induced vibration on such tall buildings is a significant factor to determine habitation as well as stability of a structure. In this paper, vortex-shedding mechanisms are varied to investigate suppression of wind-induced vibration. Wind-induced vibration experiments were performed for five shapes including the circle model, the case that ribs and spirals were attached to the circular model, and the case that ribs and spirals were attached to the aerodynamic shapes for the circular section From the results of the wind-induced experiments ,the response reduction effects by ribs or spirals were similar. The reduction of response amplitude about 50% that of the basic circular section for the cross-wind direction was the case that ribs and spirals were attached to the aerodynamically shapes.

모니터링 시스템의 계측자료를 기반으로 한 닐슨아치 교량의 내풍 안정성 평가

이덕근,임성순 한국구조물진단유지관리공학회 2013 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.17 No.3

200m 이하의 아치 교량에서 동적 내풍 안정성은 일반적으로 일본의 Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges에 따라 검토된다. 또한 내풍 안정성 검토는 모드 형상에 관계없이 1차 연직 진동수를 적용한다. 일본의 매뉴얼에 따라 설계된 경간장 183m의 닐슨 아치 교량에서 예상치 못한 와류 진동이 발생하였으며 이는 태풍시 교량의 모니터링 시스템에 의해 계측되었다. 본 논문에서는 태풍 발생시에 계측된 풍속, 풍향, 진동 변위와 가속도를 기반으로 닐슨 아치교량의 와류진동 특성을 분석하였다. 분석 결과 1차 연직 진동 모드가 역대칭 형상이고 2차 연직 진동 모드가 대칭 형상인 닐슨 아치교의 경우 와류 진동이 2차 연직 모드에서 지배적이다. 따라서 본 논문에서는 2차 연직 진동 모드가 대칭 형상인 닐슨 아치교의 내풍 안정성 평가시에는 1차 보다 2차 연직 진동 모드가 중요한 설계 요소임을 제시하였다. The wind resistant capacity of bridges with a span of less than 200m is typically evaluated by Wind Resistant Design Manual for Highway Bridges in Japan. Also, the first vertical frequency plays an important role in the evaluation of their aerodynamic performance. An unexpected vortex-induced vibration of Nielsen arch bridge with span of 183m designed by this manual has been measured by monitoring system during typhoon. The amplitude of vibrations was about 2 times than the allowable vibration displacement. This paper presents the feature of vortex-induced vibration of this Nielsen arch bridge based on measured wind velocity, wind direction, and responses at midspan of main girder. From the result of FFT, the 1st mode shape of the bridge is antisymmetric and the 2nd is symmetric. Also, the dominant vibration of the bridge is the 2nd vertical mode. According to these results, the 2nd vertical vibration mode of this Nielsen arch bridge is prior to the first for the estimation of wind resistance capacity.

수문의 유체유동 유발 진동 예측

김낙근 ( Nak Geun Kim ),이계복 ( Kye Bock Lee ) 충북대학교 건설기술연구소 2012 建設技術論文集 Vol.31 No.1

항구로 바닷물이 들어올 때 수문의 자려 진동은 수문 아래의 와류에 수문의 자려진동을 예측하기 위해 2차원 비정상 유동 특성을 수치적으로 해석하였다. 의해 발생하는 것을 확인하였다. 진동수와 평균속도에 대한 수문개도의 영향과 수문 아래에 발생하는 와류에 대해 연구하였다. 수문 개도가 증가할수록, 진동수는 감소하였다. Numerical analysis on the flow induced vibration in the water gate has been carried out by 2-dimensional unsteady CFD simulation when sea water flows into the port in the river. The results show that the sources of disturbed frequency are the vortex shed from the bottom of the water gate. Effect of gate opening on the frequency and the mean velocity and the vortex shed from under the water gate were studied. As the gate opening ratio increases, the predicted vibration frequency decreases.