Francois, Guillaume;Cooper, Jonathan E.;Weaver, Paul M.
Advances in aircraft and spacecraft science
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제4권2호
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pp.93-124
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2017
Aeroelastic performance controls wing shape in flight and its behaviour under manoeuvre and gust loads. Controlling the wing‟s aeroelastic performance can therefore offer weight and fuel savings. In this paper, the rib orientation and the crenellated skin concept are used to control wing deformation under aerodynamic load. The impact of varying the rib/crenellation orientation, the crenellation width and thickness on the tip twist, tip displacement, natural frequencies, flutter speed and gust response are investigated. Various wind-off and wind-on loads are considered through Finite Element modelling and experiments, using wings manufactured through polyamide laser sintering. It is shown that it is possible to influence the aeroelastic behaviour using the rib and crenellation orientation, e.g., flutter speed increased by up to 14.2% and gust loads alleviated by up to 6.4%. A reasonable comparison between numerical and experimental results was found.
Aeroelastic wind tunnel experiments were conducted for conventional and tapered super-tall building models to investigate the effect of taper on fundamental aeroelastic behaviors in various incident flows. Three incident flows were simulated: a turbulent boundary-layer flow representing urban area; a low-turbulent flow; and a grid-generated flow. Results were summarized focusing on the effect of taper and the effect of incident flows. The suppression of responses by introducing taper was profound in the low-turbulence flow and boundary-layer flow, but in the grid-generated flow, the response becomes larger than that of the square model when the wind is applied normal to the surface. The effects of taper and incident flows were clearly shown on the normalized responses, power spectra, stability diagrams and probability functions.
The vortex-induced vibration of an ${\sqcap}$-shaped bridge deck sectional model is studied in this paper via the wind tunnel experiment. The vibratory behavior of the model shows that there is a transition of the predominant vibration mode from the vertical to the rotational degree of freedom as the wind speed increases gradually or vice versa as the wind speed decreases gradually. The vertical vibration is, however, much weaker in the latter case than in the former. This is a phenomenon which is difficult to model by existing parametric models for vortex-induced vibrations. In order to characterize the aeroelastic property of the ${\sqcap}$-shaped sectional model, a time domain force identification scheme is proposed to identify the time history of the aeroelastic forces. After the application of the proposed method, the resultant fluid forces are re-sampled in dimensionless time domain so that reduced frequency response function (RFRF) can be obtained to explore the properties of the vortex-induced wind forces in reduced frequency domain. The RFRF model is proven effective to characterize the correlation between the wind forces and bridge deck motions, thus can explain the aeroelastic behavior of the ${\sqcap}$-shaped sectional model.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제14권1호
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pp.30-45
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2013
The present work focuses on the unsteady aerodynamics and aeroelastic properties of a small-medium sized wind-turbine blade operating under ideal conditions. A tapered/twisted blade representative of commercial blades used in an experiment setup at the National Renewable Energy Laboratory is considered. The aerodynamic loads are computed using Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. For this purpose, FLUENT$^{(R)}$, a commercial finite-volume code that solves the Navier-Stokes and the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, is used. Turbulence effects in the 2D simulations are modeled using the Wilcox k-w model for validation of the CFD approach. For the 3D aerodynamic simulations, in a first approximation, and considering that the intent is to present a methodology and workflow philosophy more than highly accurate turbulent simulations, the unsteady laminar Navier-Stokes equations were used to determine the unsteady loads acting on the blades. Five different blade pitch angles were considered and their aerodynamic performance compared. The structural dynamics of the flexible wind-turbine blade undergoing significant elastic displacements has been described by a nonlinear flap-lag-torsion slender-beam differential model. The aerodynamic quasi-steady forcing terms needed for the aeroelastic governing equations have been predicted through a strip-theory based on a simple 2D model, and the pertinent aerodynamic coefficients and the distribution over the blade span of the induced velocity derived using CFD. The resulting unsteady hub loads are achieved by a first space integration of the aeroelastic equations by applying the Galerkin's approach and by a time integration using a harmonic balance scheme. Comparison among two- and three- dimensional computations for the unsteady aerodynamic load, the flap, lag and torsional deflections, forces and moments are presented in the paper. Results, discussions and pertinent conclusions are outlined.
The ZG Bridge(preliminary design), with unfavorable aerodynamic stability characteristics, is a truss-stiffened suspension bridge, its critical wind speed of flutter instability is much lower than that of code requirement, In the present paper, based on both aerostatic and aeroelastic section model wind tunnel test, not only effects of some aerodynamic means on aerodynamic stability of its main girder are investigated, but also such effective aerodynamic means of it as flap and plate-like center stabilizer are concluded.
This study investigates the applicability of the direct identification of flutter derivatives in the time domain using Rational Function Approximation (RFA), where the extraction procedure requires either a combination of at least two wind speeds or one wind speed. In the frequency domain, flutter derivatives are identified at every wind speed. The ease of identifying flutter derivatives in the time domain creates a paradox because flutter derivative patterns sometimes change in higher-order polynomials. The first step involves a numerical study of RFA extractions for different deck shapes from existing bridges to verify the accurate wind speed combination for the extraction. The second step involves validating numerical simulation results through a wind tunnel experiment using the forced vibration method in one degree of freedom. The findings of the RFA extraction are compared to those obtained using the analytical solution. The numerical study and the wind tunnel experiment results are in good agreement. The results show that the evolution pattern of flutter derivatives determines the accuracy of the direct identification of RFA.
한국소음진동공학회 1998년도 춘계학술대회논문집; 용평리조트 타워콘도, 21-22 May 1998
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pp.386-391
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1998
The effect of the changes in parameter angles(precone, droop, sweep) on the lead-lag damping was focused on. Experiment was made with hingeless 4-blade rotors and NACA 0012 airfoil. For the measurement of the rotating natural frequencies and lead-lag damping, non-rotating swash plate was oscillated at the regressing lag mode frequency and the data were acquired after the excitation was cut off. Analysis was made using a finite element formulation based on Hamilton's principle. The main blade is assumed as elastic beams. Quasi-steady strip theory is used to obtain aerodynamic forces, and non-circulatory forces are also included.
At the University of Western Ontario (UWO), numerical tools represented in semi-closed form solution for the conductors and finite element modeling of the lattice tower were developed and utilized significantly to assess the behavior of transmission lines under downburst wind fields. Although these tools were validated against other finite element analyses, it is essential to validate the findings of those tools using experimental data. This paper reports the first aeroelastic test for a multi-span transmission line under simulated downburst. The test has been conducted at the three-dimensional wind testing facility, the WindEEE dome, located at the UWO. The experiment considers various downburst locations with respect to the transmission line system. Responses obtained from the experiment are analyzed in the current study to identify the critical downburst locations causing maximum internal forces in the structure (i.e., potential failure modes), which are compared with the failure modes obtained from the numerical tools. In addition, a quantitative comparison between the measured critical responses obtained from the experiment with critical responses obtained from the numerical tools is also conducted. The study shows a very good agreement between the critical configurations of the downburst obtained from the experiment compared to those predicted previously by different numerical studies. In addition, the structural responses obtained from the experiment and those obtained from the numerical tools are in a good agreement where a maximum difference of 16% is found for the mean responses and 25% for the peak responses.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제17권3호
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pp.423-431
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2016
In this study, wing design optimization for long-endurance unmanned aerial vehicles (UAVs) is investigated. The fluid-structure integration (FSI) analysis is carried out to simulate the aeroelastic characteristics of a high-aspect ratio wing for a long-endurance UAV. High-fidelity computational codes, FLUENT and DIAMOND/IPSAP, are employed for the loose coupling FSI optimization. In addition, this optimization procedure is improved by adopting the design of experiment (DOE) and Kriging model. A design optimization tool, PIAnO, integrates with an in-house codes, CAE simulation and an optimization process for generating the wing geometry/computational mesh, transferring information, and finding the optimum solution. The goal of this optimization is to find the best high-aspect ratio wing shape that generates minimum drag at a cruise condition of $C_L=1.0$. The result shows that the optimal wing shape produced 5.95 % less drag compared to the initial wing shape.
본 연구에서는 고고도 장기 체공 항공기 날개의 스팬과 주날개보의 형상을 설계변수로 동시에 고려하는 공력-구조 동시 설계를 수행하였다. 이 때 공기역학적 성능 최대화와 중량 최소화를 한 번에 수행하기 위해 다목적 최적화를 이용하였다. 설계 대상이 된 날개는 구조적 대변형이 발생되므로 전산유체역학과 유한요소법을 이용하여 비선형 정적 공탄성 해석을 수행하였다. 설계를 위한 해석에 요구되는 계산 비용을 감소시키기 위해 반응면을 구성하였으며 이를 위해 실험계획법이 이용되었다. 또한 본 연구에서는 대변형이 발생되지 않은 형상과 대변형이 발생한 형상의 공력 성능을 비교하여 대변형이 발생하는 경우 설계를 위해 반드시 변형이 고려되어야 함을 검증하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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