Surface pressure on a wall-mounted cube in turbulent boundary layers: The effects of turbulence, length scale and typical vortical structures
Kozmar, Hrvoje
Comprehensive laboratory experiments were performed to address questions of bluff body aerodynamics. These topics encompass the aerodynamic design of a pressure tap cavity for unsteady aerodynamic pressure measurements, experimental methodology to model wind loads on structures in boundary layer wind tunnels, and surface pressure on wall-mounted cubes in turbulent boundary layers with particular emphasis on vortex structures and the effect of turbulence. The obtained findings are particularly relevant because these topics have wide-ranging practical implications.
The main contributions are arranged in four groups in respect of the outlined objectives.
• Unsteady aerodynamic pressure measurements in engineering laboratory experiments have commonly been performed using pressure transducers with small pressure taps placed inside the structural model. However, solid experimental evidence on the acceptable volume of the cavity behind the pressure tap and a frequency range suitable for this method is still not available. To resolve this issue, experiments were performed using three different facilities, i.e., a signal generator, a low-turbulence wind tunnel, and a high-turbulence wind tunnel. Conclusions were drawn based on the quantitative analysis of the peak amplitude and frequency of the amplitude spectral density of pressure fluctuations and the standard deviation of pressure fluctuations. The results were qualitatively analyzed with respect to phase shifts and amplitude deviations.
The results clearly indicate that a 2.5 mm3 cavity with a pressure tap is suitable for unsteady pressure measurements in the frequency range of up to 256 Hz, as the phase shift and amplitude deviation of the unsteady pressure signal in these conditions proved to be negligible. This pressure tap design allows the pressure transducers to be protected from possible damage, while adverse flow separation and secondary flows on the pressure tap surface do not occur and the spatial resolution of the pressure signal is not limited by the pressure transducer diameter.
• Scaling is a major issue in wind-tunnel modeling of wind loads on structures. One of the important goals is to achieve a simulation length scale that is as large as possible. To address this question, three atmospheric boundary layer simulations that impinged on the cubic building models were created to study the pressure distributions and fluctuations on cubic building models at various simulation length scales.
Steady pressure distributions and pressure fluctuations on the surfaces of the studied cubic building models compared reasonably well for the three test cases. This indicates that simulation length scales in wind-tunnel studies with a focus on wind loads on structures can be greater when truncated Counihan vortex generators are used for atmospheric boundary layer simulations rather than is the case when standard, non-truncated Counihan vortex generators are used. It is anticipated that truncating more severely the Counihan vortex generators can lead to a further gain in the simulation length scale. The proposed approach allows for the use of larger structural models, which consequently enables a higher resolution of the studied physical flow phenomena and a higher Reynolds number of wind-tunnel experiments.
• The effect of sole turbulence on cube surface pressure distributions and fluctuations has for decades not been known. The characteristics of surface pressure on wall-mounted cubes subjected to two turbulent boundary layers were accordingly studied to shed light on this issue. In the present framework, the normalized flow shear at cube height was the same in two experiments, while the turbulence intensity was different. This fact enabled the pressure characteristics to be studied on a wall-mounted cube based solely on the effect of the incoming turbulence, separately from the flow shear. In such a setup, the differences in the pressure characteristics on wall-mounted cubes are substantial.
On the windward (upstream) cube surface, the steady pressure distribution is more affected by the incoming turbulence intensity in the areas close to the wall and the top surface. Pressure fluctuations in the stagnation zone grow with an increase in the incoming turbulence, while the stagnation zone position remains the same. Increasing the incoming turbulence intensity causes an increase in the magnitude of the peak pressure fluctuations and a simultaneous increase in the reduced peak frequency.
On the cube surfaces parallel to the incoming flow, the suction immediately downstream of the leading edges remains nearly the same even though the respective incoming turbulence intensity increases by ~ 20%. This indicates that the incoming turbulence intensity is not sufficient to affect the suction underlying the separation bubble alone, as other flow components are most likely combined with it to make this impact. The pressure fluctuations underlying the separation bubble are enhanced as the turbulence in the incident flow increases. The energy related to pressure fluctuations balances between the low-frequency peak of the incoming turbulent flow, the vortex-shedding peak, and the high-frequency peak. Their occurrence and magnitude depend on the location of the measurement point on the cube surface and the turbulence intensity of the incoming flow. Close to the trailing edge, the high-frequency peak is substantially stronger for the less turbulent incoming flow due to a later flow reattachment and the corresponding pressure fluctuations. The effect of the incoming turbulence intensity on the surface pressure power spectra on the top cube surface is relatively minor.
On the leeward cube surface, there is nearly uniform suction, which becomes weaker with the increase in the incoming turbulence intensity. The horseshoe vortex combined with the recirculating wake flow enhances turbulent mixing in the near wake of the cube to the extent that it cancels the differences due to the incoming turbulence intensity and its implications on the steady pressure distribution. The pressure spectra peak due to the incoming flow seems to vanish almost completely, whereas the original features of the undisturbed turbulence upstream of the cube are sustained in the form of pressure fluctuations in the more turbulent incoming flow. The effect of increasing the turbulence intensity in the incoming flow shifts the spectra to lower reduced frequencies.
• Conical vortices develop and substantially affect the pressure characteristics on the top building surface, often causing severe structural damage and failure. In the present framework, experiments were performed to study surface pressure on a cubic building model underlying conical vortices with particular focus on the effect of turbulence. A wall-mounted cube was subjected to three turbulent boundary layers at a flow incidence angle of 40o. Steady and unsteady pressure measurements were performed on the cube surface.
The effect of the conical vortices, which develop above the top surface of the wall-mounted cube, is clearly observed as two zones on the top cube surface. These two zones characterized by strong suction underlie the cores of the two conical vortices. The conical vortex is larger downstream of the leading edge of the top cube surface which is oriented at a smaller angle to the main flow direction. The larger mean suction acts on the top cube surface in the less turbulent boundary layer. With an increase in turbulence, the strong suction zones decrease in size with a simultaneous increase in the size of the weak suction zone on the central area of the top cube surface. The conical vortices are situated closer to the respective edges of the top cube surfaces when subjected to more turbulent flow.
The profiles of the fluctuating pressure coefficient retain their shape when turbulence is added to the flow upstream of the cube, while the entire profile shifts so the fluctuating pressure coefficient is larger in more turbulent flow. The added turbulence acts as an amplifier of pressure fluctuations on the top cube surface. The pressure fluctuations are larger on the surface underlying the outer boundaries of the rotating conical vortex near the flow separation point. Further downstream of the conical vortex boundary, but still below the conical vortex, the fluctuating pressure coefficient decreases in magnitude, while the exhibited minimum corresponds to the surface area characterized by weak suction between two conical vortices in the central part of the top cube surface. The fluctuating pressure coefficient beneath the conical vortex is three to four times larger than in the weak suction zone in the central area of the top cube surface.
Close to the leading cube corner, the pressure spectra are dominated by a single low-frequency peak. Its magnitude is larger in less turbulent flow. As the conical vortex develops, this primary peak weakens and a secondary peak at a higher reduced frequency emerges. The magnitude of the secondary peak is larger in less turbulent flow. There is a trend of the pressure spectra shifting towards higher reduced frequencies in more turbulent flows.
Umfangreiche Laborversuche wurden durchgeführt, um einige offene Fragen der Aerodynamik der stumpfen Körper zu beantworten. Diese Themen umfassen die geometrische Gestaltung der Hohlräume von Wanddruckmessstellen für instationäre Messungen, experimentelle Methoden zur Modellierung von Windlasten auf Bauwerke in Grenzschichtwindkanälen und Oberflächendruck auf bodenbefestigten Würfeln in turbulenten Grenzschichten mit besonderem Schwerpunkt auf der Wirkung von Wirbeln und Turbulenz. Die gewonnenen Erkenntnisse sind besonders relevant, da diese Themen weitreichende praktische Auswirkungen haben.
Die wissenschaftlichen Beiträge sind im Hinblick auf die beabsichtigten Ziele in vier Gruppen gegliedert.
• Instationäre aerodynamische Wanddruckmessungen in Laborversuchen wurden üblicherweise mithilfe von Druckaufnehmern mit kleinen Druckanschlüssen durchgeführt, wobei die Druckaufnehmer im Modell integriert werden. Es liegen jedoch noch keine experimentellen Hinweise für das optimale Volumen des Hohlraums hinter der Druckmessstelle und einen für diese Methode geeigneten Frequenzbereich vor. Um diese Frage aufzulösen, wurden Versuche in drei verschiedenen Einrichtungen durchgeführt, nämlich einem Signalgenerator, einem Windkanal mit geringer Turbulenz und einem Windkanal mit hoher Turbulenz. Aufgrund der quantitativen Analyse des Spitzenwerts und dessen Frequenz in der Häufigkeit der spektralen Amplitudendichte der Druckschwankungen, sowie der Standardabweichung der Druckschwankungen, wurden die Schlussfolgerungen gezogen. Die Ergebnisse wurden qualitativ hinsichtlich der Phasenverschiebung und Amplitudenverfälschung analysiert.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass ein 2,5 mm3 Hohlraum hinter der Druckmessstelle für instationäre Druckmessungen im Frequenzbereich bis 256 Hz geeignet ist, da sich die Phasenverschiebung und Amplitudenverfälschung des instationären Drucksignals unter diesen Bedingungen als vernachlässigbar erwiesen. Durch diese Gestaltung der Druckmessstelle können die Druckaufnehmer vor möglichen Schäden geschützt werden, und zusätzlich unerwünschte Strömungsablösung und Sekundärströmung an der Oberfläche der Druckmessstelle verhindert werden. Weiterhin wird die räumliche Auflösung der Messung nicht mehr durch den Durchmesser des Druckaufnehmers begrenzt.
• Die Skalierung ist ein wichtiges Thema bei der Windkanalmodellierung von Windlasten auf Bauwerken. Eines der wichtigen Ziele besteht darin, einen möglichst großen Modellmaßstab zu erzielen. Um diese Fragestellung zu beantworten, wurden drei Modelle der atmosphärischen Grenzschicht erzeugt, mit denen kubische Bauwerksmodelle angeströmt wurden, um die Druckverteilung und -schwankungen auf kubischen Bauwerksmodellen in verschiedenen Modellmaßstäben zu untersuchen.
Die Druckverteilung und -schwankungen auf der Oberfläche der kubischen Bauwerksmodellen ließen sich für die drei untersuchten Fällen gut vergleichen. Dies deutet darauf hin, dass die Modellmaßstäbe in Windkanaluntersuchungen hinsichtlich der Windlasten auf Bauwerke größer sein können, wenn verkürzte Counihan-Wirbelgeneratoren für die Modellierung der atmosphärischen Grenzschicht verwendet werden, als wenn standardmäßige, nicht verkürzte Counihan-Wirbelgeneratoren eingesetzt werden. Es wird erwartet, dass eine weitere Kürzung der Counihan-Wirbelgeneratoren zu einer weiteren Erhöhung des Modellmaßstabs führen kann. Diese Vorgehensweise ermöglicht die Verwendung größerer Bauwerksmodelle, was folglich eine höhere Auflösung der untersuchten physikalischen Strömungsphänomene und eine höhere Reynolds-Zahl von Windkanalversuchen ergibt.
• Die alleinige Auswirkung der Turbulenz auf die Druckverteilung und -schwankungen auf Würfeloberflächen ist nach wie vor unbeantwortet. Die Eigenschaften des Oberflächendrucks auf dem bodenbefestigten Würfel in zwei turbulenten Grenzschichten wurden erforscht, um dieses Thema zu adressieren. Die normierte Strömungsscherung auf Würfelhöhe war in diesen zwei Versuchen gleich, während die Turbulenzintensität unterschiedlich war. Diese Tatsache ermöglichte die Erforschung der Druckeigenschaften auf dem bodenbefestigten Würfel allein unter dem Einfluss der Turbulenz, unabhängig von der Strömungsscherung. In diesem Fall sind die Unterschiede der Drucksignale auf dem bodenbefestigten Würfel erheblich.
Auf der luvseitigen Würfeloberfläche nahe dem Boden und dem Würfeldach wird die gleichmäßige Druckverteilung maßgeblich durch die Turbulenzintensität beeinflusst. Die Druckschwankungen in der Staudruckzone nehmen mit zunehmender Turbulenz zu, wobei die Lage der Staudruckzone unverändert verbleibt. Eine Erhöhung der Turbulenzintensität führt zu einer Vergrößerung der Spitzendruckschwankungen und einer gleichzeitigen Erhöhung der normierten Frequenz des Spitzendrucks.
Auf den Würfeloberflächen parallel zur Anströmung bleibt der Sog unmittelbar stromabwärts der Vorderkanten nahezu gleich, obwohl die jeweilige Turbulenzintensität um ~ 20 % zunimmt. Dies deutet darauf hin, dass die Turbulenzintensität nicht ausreicht, um allein den Sog unter der Ablöseblase zu beeinflussen, da andere Strömungsparameter zusammen mit der Turbulenzintensität diese Wirkung erzielen. Die der Ablöseblase zugrunde liegenden Druckschwankungen auf der Würfeloberfläche werden grösser mit zunehmender Turbulenz in der Anströmung. Die Energie der Druckschwankungen wird zwischen dem niederfrequenten Spitzenwert aufgrund der turbulenten Anströmung, dem Spitzenwert wegen der Wirbelablösung und dem hochfrequenten Spitzenwert verteilt. Die Eigenschaften dieser Spitzenwerte hängen von der Lage der Messstelle auf der Würfeloberfläche und der Turbulenzintensität der Anströmung ab. Nahe der Hinterkante ist der Hochfrequenzspitzenwert in der weniger turbulenten Anströmung aufgrund einer späteren Strömungswiederanlegung und der jeweiligen Druckschwankungen bemerkenswert. Der Einfluss der Turbulenzintensität auf die spektrale Leistungsdichte der Druckschwankungen auf dem Dach des Würfels ist gering.
Auf der leeseitigen Würfeloberfläche herrscht ein nahezu gleichmäßiger Sog, der mit zunehmender Turbulenzintensität geringer wird. Der Hufeisenwirbel zusammen mit der umwälzenden Nachlaufströmung anreichert die turbulente Vermischung im nahen Nachlauf des Würfels in dem Maße, dass er die Unterschiede aufgrund der Turbulenzintensität und ihrer Auswirkung auf die stationäre Druckverteilung aufhebt. Der Spitzenwert der spektralen Leistungsdichte der Druckschwankungen aufgrund der Anströmung scheint fast vollständig zu verschwinden, wohingegen in der turbulenteren Strömung die Eigenschaften der ungestörten Turbulenz stromaufwärts des Würfels in Druckschwankungen erhalten bleiben. Die Zunahme der Turbulenzintensität der Anströmung verursacht die Verschiebung der spektralen Leistungsdichte der Druckschwankungen zu niedrigen normierten Frequenzen.
• Kegelförmige Wirbel entstehen über dem Dach der Bauwerke. Sie beeinflussen erheblich die Druckverteilung auf der Bauwerksoberfläche und führen häufig zu schweren Schäden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Versuche durchgeführt, um den Oberflächendruck an einem kubischen Bauwerksmodell zu untersuchen an dem sich kegelförmige Wirbel bilden, wobei der Schwerpunkt auf der Auswirkung der Turbulenz lag. Ein bodenbefestigter Würfel wurde drei turbulenten Grenzschichten bei einem Anströmwinkel von 40° ausgesetzt. Auf der Würfeloberfläche wurden stationäre und instationäre Druckmessungen durchgeführt.
Die Wirkung der kegelförmigen Wirbel, die sich über der Oberfläche des bodenbefestigten Würfels entwickeln, führt zur Entstehung von zwei Zonen auf der oberen Würfeloberfläche. Diese beiden durch starken Sog gekennzeichneten Zonen liegen unterhalb der Wirbelkerne. Der kegelförmige Wirbel ist größer stromabwärts der Vorderkante der oberen Würfeloberfläche, die in einem kleineren Winkel zur Anströmung ausgerichtet ist. Die größere Sogwirkung auf die Würfeloberfläche entsteht bei der weniger turbulenten Anströmung. Mit zunehmender Turbulenz verkleinern sich die Zonen großen Sogs bei gleichzeitiger Vergrößerung der Zone kleinen Sogs im zentralen Bereich der Würfeloberfläche. Die kegelförmigen Wirbel liegen näher an den jeweiligen Kanten der Würfeloberflächen, wenn sie einer turbulenteren Strömung ausgesetzt sind.
Die Profile des schwankenden Druckbeiwerts behalten ihre Form, wenn die Turbulenz der Strömung vor dem Würfel hinzugefügt wird, wobei sich das gesamte Profil verschiebt, sodass der schwankende Druckbeiwert in turbulenterer Strömung größer ist. Die erhöhte Turbulenz wirkt als Verstärker der Druckschwankungen auf der Würfeloberfläche. Unterhalb der Außengrenzen des drehenden kegelförmigen Wirbels nahe der Strömungsablösungslage sind die Druckschwankungen größer. Weiter stromabwärts des Randes des kegelförmigen Wirbels, aber immer noch unter dem Wirbel, nimmt der schwankende Druckbeiwert ab. Sein Minimum ist im mittleren Bereich der Würfeloberfläche zwischen zwei kegelförmigen Wirbeln zu merken, wo geringer Sog herrscht. Der schwankende Druckbeiwert unter dem kegelförmigen Wirbel ist drei- bis viermal größer als im mittleren Bereich der Würfeloberfläche außerhalb der kegelförmigen Wirbel.
In der Nähe der vorderen Ecke des Würfels ist die spektrale Leistungsdichte der Druckschwankungen von einem einzelnen niederfrequenten Spitzenwert gekennzeichnet. Dieser Spitzenwert ist in weniger turbulenter Strömung größer. Während sich der kegelförmige Wirbel entwickelt, nimmt dieser primäre Spitzenwert ab, und es entsteht ein sekundärer Spitzenwert an einer höheren normierten Frequenz. Der sekundäre Spitzenwert ist in weniger turbulenter Strömung größer. Es besteht die Tendenz, dass sich die spektrale Leistungsdichte der Druckschwankungen in turbulenteren Strömungen hin zu höheren normierten Frequenzen verschiebt.
