Aerodynamic torque of wind turbine is highly nonlinear due to the nonlinear interactions between wind and blade. The aerodynamic nonlinearity is represented by nonlinear power and torque coefficients which are functions of wind speed, rotational speed of rotor, and pitch angle of blade. It is essential from the viewpoint of understanding and analysis of dynamic characteristics for wind turbine to linearize the aerodynamic torque and define aerodynamic nonlinear parameters as derivatives of aerodynamic torque with respect to the three parameters. In this paper, a linearization method of the aerodynamic torque from power coefficient is presented through differentiating it by the three parameters. And steady-state values of three aerodynamic nonlinear parameters according to wind speed are obtained and their nonlinear characteristics are investigated.
For the reduction of fuel consumption of high speed, the aerodynamic drag must be reduced. In early vehicle design process, it is very important to have information about aerodynamic characteristics of design models. In this phase CFD methods are usually used to predict the aerodynamic forces. But commercial programs using turbulence models cannot give a good agreement with experimental result and have also problems with convergence. PowerFLOW employs a new technology called DIGITAL PHYSICS, which provides a different approach to simulating fluids. DIGITAL PHYSICS uses a lattice-based approach (extended from lattice-gas and lattice-Boltzmann methods) where time, space and velocity are discrete. This discrete system represents the Wavier-Stokes continuum behavior without the numerical instability Issues of traditional CFD solvers, such as convergence. In this paper, aerodynamic performance of vehicles are simulated using PowerFLOW by Exa and results are compared with experimental wind tunnel data.
A Small-size axial fan(SSAF) has widely been utilized to circulate a cooling air in a refrigerator, etc. Generally, the aerodynamic performance of SSAF is strongly dependent upon the depth between SSAF and bellmouth, and it includes axial, partially stalled, mostly stalled and radial flow regions according to the flow coefficient. In this study, four kinds of bellmouth depths were considered to analyze the aerodynamic performance of SSAF. As a bellmouth depth increases, a maximum flowrate decreases, but a maximum static pressure increases. Also, stall region includes an inflection point in all aerodynamic performance curves. Finally, a static pressure efficiency shows the maximum value of 37%.
Although there are many activities on the construction of wind farm to produce amount of power from the wind, in practice power productions are not as much as its expected capabilities. This is because a lack of both the prediction of wind resources and the aerodynamic analysis on turbines with far wake effects. In far wake region, there are velocity deficits and increases of the turbulence intensity which lead to the power losses of the next turbine and the increases of dynamic loadings which could reduce system's life. The analysis on power losses and the increases of fatigue loadings in the wind farm is needed to prevent these unwanted consequences. Therefore, in this study velocity deficits have been predicted and aerodynamic analysis on turbines in the far wake is carried out from these velocity profiles. Ainslie's eddy viscosity wake model is adopted to determine a wake velocity and aerodynamic analysis on wind turbines is predicted by the numerical methods such as blade element momentum theory(BEMT) and vortex lattice method(VLM). The results show that velocity recovery is more rapid in the wake region with higher turbulence intensity. Since the velocity deficit is larger when the turbine has higher thrust coefficient, there is a huge aerodynamic power loss at the downstream turbine.
The spanwise aerodynamic loads of the wind turbine blade are investigated numerically. The blade shape such as twist and chord length along the blade span is obtained from the procedure of aerodynamically optimal design. The rated tip speed ratio and the rated wind velocity are set to 7 and 12m/s respectively. The BEM method is applied to obtain both the aerodynamic performance of the wind turbine (Fig.1) and the spanwise aerodynamic loads along the blade span including Prandtl's tip loss factor. The maximum running power coefficient is occurred around 90% radial position from hub (Fig.2). The distributed aerodynamic loads along the blade span can be used for structure analysis.
The aerodynamic performance of an indoor room air-conditioner using a cross-flow fan is strongly influenced by the various design factors of a rear-guider and a stabilizer. The purpose of this study is to investigate the effects of a rear-guider and a stabilizer on the aerodynamic performance in the maximum flowrate range of a cross-flow fan. The design factors considered in this study are a rear-guider clearance, a stabilizer cutoff clearance, and a stabilizer setup angle, respectively. Aerodynamic performances including maximum flowrate and power show the biggest magnitude distribution in the case of $45^{\circ}$, the stabilizer setup angle as well as nearly similar magnitude distribution regardless of the stabilizer cutoff clearances. Moreover, the more a rear-guider clearance increases, the more the magnitude of maximum flowrate and power increases.
고속열차의 공기저항 저감을 위해 KTX-산천의 구성요소별 공기저항을 상세하게 분석하였다. 전체 공기저항의 약 42.9%는 동력차(선두차, 후미차)에서 그리고 약 10.1%는 대차에서 유발되는 것으로 나타났다. 전두부의 공기저항 저감을 위해 Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno 기법을 이용한 전두부 최적설계를 수행하였다. 그리고 차체 공기저항 저감을 위해 동력차 형상 변화 및 대차커버를 적용하였다. 공기저항 저감을 위해 최적설계된 편성열차의 공기저항은 KTX-산천 대비 약 15.0% 저감되었으며, 주행저항은 속도 350km/h에서 약 12% 감소될 것으로 예상된다.
The aerodynamic torque and power caused by the interaction between the wind and blade of wind turbine are highly nonlinear. For this reason, the overall dynamic behaviors of wind turbine have nonlinear characteristics. The aerodynamic nonlinearity also affects properties of torque control for wind turbine. In this paper, the nonlinear aerodynamic property according to the wind speed below rated power and its effects on the torque control system are investigated. Nonlinear parameter representing change of aerodynamic torque with respect to rotor speed is obtained by linearization technique. Effects of this aerodynamic nonlinear parameter on the closed-loop torque system with PI controller for an 1.5 MW wind turbine are presented.
Roof-fairing and deflector system have been used on heavy-duty trucks to minimize aerodynamic drag force not only for driving stability of the truck but also for energy saving by reducing the required driving power of the vehicle. In this study, a numerical simulation was carried out to see aerodynamic effect of the drag reducing device on the model vehicle. Drag and lift force generated on the five different models of the drag reducing system were calculated and compared them each other to see which type of device is efficient on the reduction of driving power of the vehicles quantitatively. An experiment has been done to see airflow characteristics on the model vehicles. Airflow patterns around the model vehicles were visualized by smoke generation method to compare the complexity of airflow around drag reducing device. From the results, the deflector systems(Model 5,6) were revealed as a better device for reduction of aerodynamic drag than the roof-fairing systems(Model 2,3,4) on the heavy-duty truck and it can be expected that over 10% of brake power of an engine can be saved on a tractor-trailer by the aerodynamic drag reducing device at normal speed range($80km/h{\sim}$).
Xinyang Yin;Hanqiong Wang;Jinguang Yang;Yan Liu;Yang Zhao;Jinhu Yang
Advances in aircraft and spacecraft science
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제10권3호
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pp.245-256
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2023
In order to improve aerodynamic performance of multi-stage axial flow turbines used in aircraft engines, a one-dimensional aerodynamic design and optimization framework is constructed. In the method, flow path is generated by solving mass continuation and energy conservation with loss computed by the Craig & Cox model; Also real gas properties has been taken into consideration. To obtain an optimal result, a multi-objective genetic algorithm is used to optimize the efficiencies and determine values of various design variables; Final design can be selected from obtained Pareto optimal solution sets. A three-stage axial turbine is used to verify the effectiveness of the developed optimization framework, and designs are checked by three-dimensional CFD simulation. Results show that the aerodynamic performance of the optimized turbine has been significantly improved at design point, with the total-to-total efficiency increased by 1.17% and the total-to-static efficiency increased by 1.48%. As for the off-design performance, the optimized one is improved at all working points except those at small mass flow.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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