Estimation of Aerodynamic Admittance Functions for a Twin-box Bridge

Abstract

Aerodynamiske frekvensresponsfunksjonene er et viktig verktøy for å predikere buffeting krefter. De er derfor en av de viktigste faktorene for å evaluere buffetingrespons. Hovedfokuset i denne oppgaven er å estimere frekvensresponsfunksjonene og undersøke trykkfordelingen rundt en dobbel kassetverrsnitt bru. Det er utført tester i vindtunnelen, ved Institutt for energi- og prosessteknikk ved NTNU Gløshaugen. Overflatetrykket til modellen ble målt ved å bruke 256 plastrør fordelt på 6 korrelasjonslinjer og koblet til 4 MSP4264 trykkskannere. Den turbulente vinden ble målt med en cobra probe. Alt av data er behandlet og transformert til frekvens domenet for å estimere frekvensresponsfunksjonene.

Det har blitt lagt fokus på teorien bak de aerodynamiske frekvensresponsfunksjonene samt vindtunneltestene. Flere tidligere studier er blitt evaluert, for å bestemme metodene som brukes i denne oppgaven. Konseptet og geometrien til modellen er basert på modeller fra tidligere masteroppgaver ved NTNU. Flere ulike løsninger ble diskutert, på grunn av utfordringer knyttet til hvordan trykkskanner og plastrørene skulle plasseres og festes til modellen.

Trykkfordelingen til tverrsnittet ble funnet for alle testene. Resultatene viste en uventet mengde med positivt trykk. Trykket ble deretter transformert til krefter, ved å integrere trykket over overflaten til tverrsnittet. Lastspekteret viste tydelige topper, hovedsakelig forårsaket av nedstrøms kassen, på grunn av virvler dannet av oppstrøms kassen, eller i bakkant av nedstrøms kasse. Videre ble lastspektrene brukt til estimeringen av frekvensresponsfunksjonene.

Frekvensresponsfunksjonene ble estimert ved bruk av tre forskjellige metoder, den generelle, ekvivalente og kryss spektrale. De estimerte funksjonene ble sammenlignet med hverandre, Sears-funksjonen og tidligere studier. Alle funksjonene viste en tydelig topp, den samme som ble observert i lastspektrene, og funksjonen synker for økende frekvenser. Videre viste resultatene at funksjonene som tilsvarer horisontale og vertikale turbulens komponenter avviker betydelig, og antyder at den ekvivalente metoden gir unøyaktige resultater. Frekvensresponsfunksjonen for løft viste samsvar med tidligere studier, mens drag og moment hadde avvik. Videre ble det oppdaget at Sears funksjonen overestimerte for alle reduserte frekvenser, og er derfor ikke anvendelig for dobbel kassetverrsnitt bru.

Frekvensresponsfunksjonene ble ansett som akseptable i henhold til form og kan bli brukt til å forstå buffetingresponsen til en dobbel kassetverrsnitt bru.

Aerodynamic admittance functions is a tool to predict buffeting forces. Hence they are one of the most important factors in evaluating buffeting response. The objective of this thesis is to estimate the aerodynamic admittance functions and investigate the pressure field around the twin-box model. Wind tunnel testing of a twin-box model was conducted at the Department of Energy and Process Engineering at NTNU Gløshaugen. The surface pressure was measured using 256 plastic tubes distributed on 6 correlations lines connected to four MSP4264 pressure scanners. The turbulent flow was measured using a cobra probe. All data was processed and transferred to the frequency domain for the estimation of the admittance function.

An extra focus was put on the theory related to the admittance functions, as well as the wind tunnel test, and several previous studies have been evaluated to determine the methodology used in this thesis. The concept and geometry of the model are based on the shapes of previous masters thesis at NTNU. Several solutions were discussed due to challenges related to placement and attachment of the pressure scanners and tube system.

The pressure distributions were found for all tests. The results gave an unexpected amount of positive pressure, particularly at the downstream-box. The pressure was then converted to forces, by integrating it over the cross-section surface. The force spectra showed a distinct peak, mainly caused by the downstream deck, due to vortices shed from the upstream-box or in the wake of the downstream-box.

Admittance functions were estimated using three different methods, the general, the equivalent and the cross-spectral. The estimated functions were then compared to each other, then to the Sears functions and finally with previous studies. All functions showed a distinct peak, the same peak as detected in the force spectra. The slopes decreased for increasing frequency. Furthermore, the results showed that functions corresponding to the horizontal and vertical turbulence components deviates significantly, and implying that the equivalent method produces inaccurate results. The admittance functions for lift showed similarity with previous studies, while drag and moment had deviations. Besides, it was found that Sears function overestimated for all reduced frequencies and is not applicable for the twin-box bridge.

The estimated admittance functions were considered valid in terms of shape and can be used to understand the buffeting response of a twin-box bridge.