• Wind and Structures
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• 제38권5호
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• pp.341-354
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• 2024

This paper presents a theoretical method to deal with the aerodynamic performance and pitch optimization of the horizontal axis wind turbine blades at low wind speeds. By considering a blade element, the functional relationship among the angle of attack, pitch angle, rotational speed of the blade, and wind speed is derived in consideration of a quasi-steady aerodynamic model, and aerodynamic loads on the blade element are then obtained. The torque and torque coefficient of the blade are derived by using integration. A polynomial approximation is applied to functions of the lift and drag coefficients for the symmetric and asymmetric airfoils respectively, where specific expressions of aerodynamic loads as functions of the angle of attack (which is a function of pitch angle) are obtained. The pitch optimization problem is investigated by considering the maximum value problem of the instantaneous torque of a blade as a function of pitch angle. Dynamic pitch laws for HAWT blades with either symmetric or asymmetric airfoils are derived. Influences of parameters including inflow ratio, rotational speed, azimuth, and wind speed on torque coefficient and optimal pith angle are discussed.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제10권1호
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• pp.14-19
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• 2007

일반적으로 터보 기계에서 mistuning은 구조적, 기하학적인 면에서의 blade와 blade사이의 미소한 특성의 차이를 의미하며, 이러한 미소한 차이가 강제 진동 시, 발생하는 진동 에너지가 몇 개의 blade 또는 하나의 blade에 집중되어 매우 큰 진동을 야기 시킬 수 있다는 사실이 여러 논문들에 언급되고 있다. 또한 mistuning에 대한 blade 시스템의 강제진동응답의 감도를 줄이기 위하여, intentional mistuning개념을 설계단계에 도입하려고 하는 연구도 진행되고 있다. 따라서 본 논문에서는 두 가지 형태의 blade만을 사용하여 bladed disk의 강제진동응답을 최소화 할 수 있는 intentional mistuning의 pattern 최적화에 미치는 mistuning intensity 영향을 조사하였고 최적화 알고리즘으로 유전알고리즘을 사용하였다.

• Composites Research
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• 제35권1호
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• pp.31-37
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• 2022

본 연구에서는 복합재료 블레이드의 최적 구조설계 프레임워크를 개발하고 이를 헬리콥터 블레이드에 적용하여 구조설계를 수행하였다. 개발된 최적 설계 프레임워크는 유전자 알고리즘과 입자 군집 최적화 알고리즘을 결합한 PSGA를 활용해 구성하였다. 이는 블레이드 단면에 대한 유한요소 모델 생성, 2차원 단면 유한요소 해석, 그리고 1차원 회전 보 해석의 단계를 거쳐 최적화 결과를 도출해낸다. 설계 과정에서 각 단면들은 B-spline으로 구성되며, 유한요소 생성 프로그램인 Gmsh를 활용해 모델링 된다. 이를 활용하여 최적화 과정에서 각 변수마다 대응되는 2차원 유한요소모델을 생성해 블레이드의 구조해석을 수행했다. 본 연구에서 제안한 프레임워크를 HART II 블레이드에 적용하여 최적 구조 설계를 수행했다. 최적 설계 결과 회전익 로터에서 요구하는 구조적 특징을 유지하면서, 공진회피와 질량 등의 조건이 개선된 블레이드 형상을 도출하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제32권6A호
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• pp.369-378
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• 2012

이 연구에서는 풍력 터빈 블레이드의 형상 최적화를 위한 직접탐색 기반의 최적화 기법을 적용하고, 최적화 기법간의 성능을 비교하여 효과적인 방법을 제안하고자 하였다. 이를 위하여 수평축 풍력 터빈의 최적설계 코드인 HARP_Opt(Horizontal Axis Rotor Performance Optimizer)을 기반으로 연간 발전량 평가 방법을 수정하고, HARP_Opt에서 적용하고 있는 기존의 유전자 알고리즘과 함께 패턴 서치 방법을 추가 적용하였다. 이를 1MW급 풍력 발전 터빈 블레이드의 단면 형상 최적 설계 문제에 적용하였으며, 기존의 유전자 알고리즘 및 마이크로 유전자 알고리즘, 그리고 패턴 서치 방법의 성능을 비교한 결과, 연간 발전량과 해의 일관성 면에 있어서는 패턴 서치 방법이 상대적으로 우수하였으며, 계산시간 측면에서는 마이크로 유전자 알고리즘이 상대적으로 우수한 것으로 분석되었다.

• 항공우주시스템공학회지
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• 제11권4호
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• pp.36-43
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• 2017

쿼드틸트 무인기에 적용되는 프롭로터 블레이드 형상 최적설계를 수행하였다. 형상 최적설계 프로세스 통합은 ModelCenter(R) 프로그램을 이용하였으며, 최적설계 과정에서 성능해석은 CAMRAD-II를 사용하였다. 목적함수는 제자리비행 및 전진비행 모드에서 성능효율 최대화로 설정하였으며, 제한조건은 소요 동력 및 피치로드 하중 값이 기본 형상 값보다 작게 되도록 설정하였다. 설계변수로는 블레이드 루트 코드길이, 테이퍼비, 비틀림 각의 기울기 및 각도, 하반각, 끝단 형상 생성을 위한 파라볼릭 계수, 하반각과 끝단형상이 적용되는 블레이드 스팬위치, 블레이드 단면을 구성하는 익형의 위치로 구성하였다. 최적 설계 결과 기준 형상 대비 제자리비행 효율은 1.6%, 전진 비행 효율은 13.6% 향상된 프롭로터 블레이드 형상을 도출할 수 있었으며, 피치로드 하중은 약 30% 감소하였다.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제14권2호
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• pp.47-51
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• 2011

This paper describes the shape optimization of a blower impeller used for a refuse collection system. Two design variables, which are used to define the blade angles of an impeller, are introduced to increase the blower performance. A blower efficiency is selected as an object function, and the shape optimization of the blade angles is performed by a response surface method (RSM). Three-dimensional Navier-Stokes equations are introduced to analyze the internal flow of the blower and to find the value of object function for the training data. Relatively good agreement between experimental measurements and numerical simulation is obtained in the present study. Throughout the shape optimization, blower efficiency for the optimal blade angles is successfully increased up to 3.6% compared with that of reference at the design flow rate. Detailed flow field inside the turbo blower is also analyzed and discussed.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제19권2호
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• pp.16-20
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• 2016

Design optimization of a transonic compressor rotor(NASA rotor 37) was carried out using response surface method(RSM) which is one of the optimization methods. A numerical simulation was conducted using ANSYS CFX by solving three-dimensional Reynolds-averaged Navier Stokes(RANS) equations. Response surfaces that were based on the results of the design of experiment(DOE) techniques were used to find an optimal shape of blade which has the maximum aerodynamic performance. Two objective functions, viz., the adiabatic efficiency and the loss coefficient were selected with three design configurations to optimize the blade shape. As a result, the efficiency of the optimized blade is found to be increased.

• 대한기계학회논문집B
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• 제27권10호
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• pp.1457-1463
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• 2003

In this paper, the response surface method using three-dimensional Navier-Stokes analysis to optimize the shape of a multi-blade centrifugal fan, is described. For numerical analysis, Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with standard k - c turbulence model are transformed into non-orthogonal curvilinear coordinate system, and are discretized with finite volume approximations. Due to the large number of blades in this centrifugal fan, the flow inside of the fan is regarded as steady flow by introducing the impeller force models for economic calculations. Linear Upwind Differencing Scheme(LUDS) is used to approximate the convection terms in the governing equations. SIMPLEC algorithm is used as a velocity-pressure correction procedure. Design variables, location of cur off, radius of cut off, expansion angle of scroll and width of impeller were selected to optimize the shapes of scroll and blades. Data points for response evaluations were selected by D-optimal design, and linear programming method was used for the optimization on the response surface. As a main result of the optimization, the efficiency was successfully improved. It was found that the optimization process provides reliable design of this kind of fans with reasonable computing time.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제16권4호
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• pp.22-27
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• 2013

The purpose of this paper is to perform the structural design of the small scale vertical-axis wind turbine (VAWT) blade using a response surface method(RSM). First, the four design factors that have a strong influence on the structural response of blade were selected. Analysis conditions were calculated by using the central composite design(CCD), which is a typical design of experiment for the response surface method(RSM). Also, the significance of the central composite design(CCD) was verified using analysis of variance(ANOVA). The finite element analysis was performed for the selected analytical conditions for the application of response surface method(RSM). Finally, a optimization problem was solved with a objective function of blade weight and a constraint of allowable stress to achieve a optimal structural design of blade.

• EDISON SW 활용 경진대회 논문집
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• 제5회(2016년)
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• pp.183-189
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• 2016

In this paper, an optimization study on a helicopter rotor blade cross-section was made. Generalization was made to the baseline cross-section to simplify the analysis. To have better performance in aeroelastic response, with the aerodynamic center being the origin of the baseline, the distance between aerodynamic center and shear center, and the distance between mass center and shear center of the blade were minimized. For efficient searching of optimum solutions over the design space, grid search method, which is a method of graphical search was used. Two design variables, radius of balancing weight at leading edge, and offset of the spar from leading edge were selected for the study. Cubic spline interpolation method was used to accommodate searching of the optimum solution. 2-Leveled searching system was devised in accordance with the interpolation method. Optimum solution was found to show 6% decrease in both distance between aerodynamic center and shear center, and mass center and shear center to the baseline.