Aerodynamic force coefficients are generally obtained from traditional wind tunnel tests or computational fluid dynamics (CFD). Unfortunately, the techniques mentioned above can sometimes be cumbersome because of the cost involved, such as the computational cost and the use of heavy equipment, to name only two examples. This study proposed to build a deep neural network model to predict the aerodynamic force coefficients based on data collected from CFD simulations to overcome these drawbacks. Therefore, a series of CFD simulations were conducted using different geometric parameters to obtain the aerodynamic force coefficients, validated with wind tunnel tests. The results obtained from CFD simulations were used to create a dataset to train a multilayer perceptron artificial neural network (ANN) model. The models were obtained using three optimization algorithms: scaled conjugate gradient (SCG), Bayesian regularization (BR), and Levenberg-Marquardt algorithms (LM). Furthermore, the performance of each neural network was verified using two performance metrics, including the mean square error and the R-squared coefficient of determination. Finally, the ANN model proved to be highly accurate in predicting the force coefficients of similar bridge sections, thus circumventing the computational burden associated with CFD simulation and the cost of traditional wind tunnel tests.
The aerodynamic loads at the blade hub and the drive shaft for 1MW horizontal axis wind turbine are calculated numerically. The geometric shape of the blade such as chord length and twist angle can be obtained fran the aerodynamic optimization procedure. Various airfoil data, that is thick airfoils at hub side and thin airfoils at tip side, are distributed along the spanwise direction of the rotor blade. Under the wind data fulfilling design load cases based on the IEC61400-1, all of the shear forces, bending moments at the hub and the low speed shaft of the drive train are obtained by using the FAST code. It shows that shear forces and bending moments have a periodic. trend. These oscillating aerodynamic loads will lead to the fatigue problem at both of the hub and drive train From the load analysis the maximum shear forces and bending moments are generated when wind turbine generator system operates in the case of the extreme speed wind condition.
Wind power generation system is one of the most useful energy resource using natural environment. One of the biggest problem we encountered is toot the wind speed is fluctuating sharply according to the weather conditions rather than it is stable. In this paper we do the equivalent modeling the mechanical energy of wind power turbine according to wind speed into the synchronous generator. We analyse the equivalent modeling output part of rectifier into DC/DC converter input part theoretically. We analyse a battery charging characteristics for power storage enabling the supply of stable power to the load. We design a system and do the modeling of it analytically so that it supplies a stable power to the load by constructing a DC-AC inverter point. Also we make a small size model usable in actual wind power generation system of 30kw and make an experiment and confirm its validity.
Chen, Cong;Dai, Bingyu;Wieczorek, Niccolo;Unglaub, Julian;Thiele, Klaus
Wind and Structures
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제35권4호
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pp.255-268
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2022
Light-weight or low-damped structures may encounter the unsteady galloping instability that occurs at low reduced wind speeds, where the classical quasi-steady assumption is invalid. Although this unsteady phenomenon has been widely studied for rectangular cross sections with one side perpendicular to the incidence flow, the effect of the mean wind angle of attack has not been paid enough attention yet. With four sectional models of different side ratios and geometric shapes, the presented research focuses on the effect of the wind angle of attack on unsteady galloping instability. In static tests, comparatively strong vortex shedding force was noticed in the middle of the range of flow incidence where the lift coefficient shows a negative slope. In aeroelastic tests with a low Scruton number, the typical unsteady galloping, which is due to an interaction with vortex-induced vibration and results in unrestricted oscillation initiating at the Kármán vortex resonance wind speed, was observed for the wind angles of attack that characterize relatively strong vortex shedding force. In contrast, for the wind angles of attack with relatively weak shedding force, an "atypical" unsteady galloping was found to occur at a reduced wind speed clearly higher than the Kármán-vortex resonance one. These observations are valid for all four wind tunnel models. One of the wind tunnel models (with a bridge deck cross section) was also tested in a turbulent flow with an intensity about 9%, showing only the atypical unsteady galloping. However, the wind angle of attack with the comparatively strong vortex shedding force remains the most unfavorable one with respect to the instability threshold in low Scruton number conditions.
The 9th International Conference on Construction Engineering and Project Management
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pp.436-442
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2022
Hurricanes and tornadoes are the most destructive natural disasters in some central and southern states. Thus, storm shelters, which can provide emergency protections for low-rise building residents, are becoming popular nowadays. Both FEMA and ICC have published a series of manuals on storm shelter design. However, the authors found that the materials for related products in the market are heavyweight and hard to deliver and install; renovations are necessary. The authors' previous studies found that lightweight and high-performance composite materials can withstand extreme wind pressure, but some building codes are designated in wind-borne debris areas. In these areas, wind debris can reach greater than 100 mph speed. In addition, the impact damage on the composite materials is an increasing safety issue in many engineering fields; some can cause catastrophic results. Therefore, studying composite structures subjected to wind debris impact is essential. The finite element models are set up using the software Abaqus 2.0 to conduct the simulations to observe the impact resistance behavior of the carbon fiber composite sandwich panels. The selected wood debris models meet the FEMA requirements. The outcome of this study is then employed in future lab tests and compared with other material models.
This paper proposes a modeling and controller design approach for a hybrid wind power generation system that considers a fixed wind-turbine and a dump load. Since operating conditions are kept changing, it is challenge to design a control for reliable operation of the overall system To consider variable operating conditions, Takagi-Sugeno (TS) fuzzy model is taken into account to represent time-varying system by expressing the local dynamics of a nonlinear system through sub-systems, partitioned by linguistic rules. Also, each fuzzy model has uncertainty. Thus, in this paper, a modem nonlinear control design technique, the sliding mode nonlinear control design, is utilized for robust control mechanism In the simulation study, the proposed controller is compared with a proportional-integral (PI) controller. Simulation results show that the proposed controller is more effective against disturbances caused by wind speed and load variation than the PI controller, and thus it contributes to a better quality wind-hybrid power generation system.
Atmospheric boundary layer winds experience two types of effects due to friction at the ground surface. One effect is the increase of the wind speeds with height above the surface. The second effect, called the Ekman layer effect, entails veering - the change of the wind speed direction as a function of height above the surface. In this study a practical procedure is developed within a database-assisted design (DAD) framework that accounts approximately for veering effects on tall building design. The procedure was applied in a case study of a 60-story reinforced concrete building, which also considered the dependence of veering effects on the orientation of the building. Comparisons are presented between response estimates that do not account for veering, and account for veering conservatively. For the case studied in this paper veering effects were found to be small.
본 연구는 우리나라와 같은 상대적으로 낮은 풍속에 적합한 6[W]급 풍력터빈의 블레이드를 개발하고자 하였다. 풍력발전기의 출력은 풍속 및 블레이드의 회전수에 매우 의존적으로 풍속이 증가함에 따라 전력도 증가하였다. 또한, 피치각에 따라 블레이드의 회전수도 매우 다르며, 낮은 풍속 상태에서는 공기의 힘을 받는 면적이 클수록 출력특성이 줄게 나타났다. 최대출력은 피치각 $10^{\circ}$, 풍속 5.5[m/s]일 때 3.8[W] 의 출력을 보였다.
In this paper a robust controller using adaptive backstepping technique is proposed to control the position of wind power generation system. To make wind power generation truly cost effective and reliable, advanced and robust control algorithms are derived to on-line adjust the excitation winding voltage of the generator based on both mechanical and electrical dynamics. This method is shown to be able to achieve smooth and asymptotic rotor speed tracking, as justified by analysis and computer simulation.
A wind turbine obtains its power input by converting the force of the wind into a torque (turning force) acting on the rotor blades. The amount of energy which the wind transfers to the rotor depends on the density of the air, the rotor area, and the wind speed. Because it has long term operating life and very complex load condition, the fatigue strength of each component must be considered. In this paper, we calculated the load condition by wind using a combined blade elemental theory and a FEM based analytical approach was use to evaluate the fatigue strength of a Hub of wind turbine. The effect of tensile mean stress was taken into account by the modified Goodman diagram. Using this approaches, we evaluated the fatigue strength of hub and main shaft and improved the design.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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