International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.7
no.1
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pp.16-27
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2014
Double-blade vertical axis wind turbines (DB-VAWTs) can improve the self-starting performance of lift-driven VAWTs. We here propose the quadruple-multiple streamtube model (QMS), based on the blade element momentum (BEM) theory, for simulating DB-VAWT performance. Model validity is investigated by comparison to computational fluid dynamics (CFD) prediction for two kinds of two-dimensional DB-VAWT rotors for two rotor scales with three inner-outer radius ratios: 0.25, 0.5, and 0.75. The BEM-QMS model does not consider the effects of an inner rotor on the flow speed in the upwind half of the rotor, so we introduce a correction factor for this flow speed. The maximum power coefficient predicted by the modified BEM-QMS model for a DB-VAWT is thus closer to the CFD prediction.
This paper presents a mechanical model of Rain-Wind Induced Vibration (RWIV) of stay cables. It is based on the physical interpretation of the phenomenon as given in Cosentino, et al. (2003, referred as Part I). The model takes into account all the main forces acting on cable, on the upper water rivulet (responsible of the excitation) and the cable-rivulet interaction. It is a simplified (cable cross-sectional and deterministic) representation of the actual (stochastic and three-dimensional) phenomenon. The cable is represented by its cross section and it is subjected to mechanical and aerodynamic (considering the rivulet influence) forces. The rivulet is supposed to oscillate along the cable circumference and it is subjected to inertial and gravity forces, pressure gradients and air-water-cable frictions. The model parameters are calibrated by fitting with experimental results. In order to validate the proposed model and its physical basis, different conditions (wind speed and direction, cable frequency, etc.) have been numerically investigated. The results, which are in very good agreement with the RWIV field observations, confirm the validity of the method and its engineering applicability (to evaluate the RWIV sensitivity of new stays or to retrofit the existing ones). Nevertheless, the practical use of the model probably requires a more accurate calibration of some parameters through new and specifically oriented wind tunnel tests.
Kim, Dong-Hyun;Lee, Jang-Ho;Tran, Thanh-Toan;Kwak, Young-Seob;Song, Jin-Seop
Journal of Wind Energy
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v.5
no.1
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pp.22-32
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2014
The structural design of a wind turbine must show the verification of the structural integrity of all load-carrying components. Also, design load calculations shall be performed using appropriate and accurate methods. In this study, advanced numerical approach for the calculation of design loads based on unsteady computational fluid dynamics (CFD) is presented considering extreme design load conditions such as the extreme coherent gust (ECG) and the 50 year extreme operating gust (EOG). Unsteady aerodynamic loads are calculated based on Reynolds average Navier-Stokes (RANS) equations with shear-stress transport k-ω(SST k-ω) turbulent model. A full three-dimensional 5 MW offshore wind-turbine model with rotating blades, hub, nacelle, and tower configuration is practically considered and its aerodynamic interference effect among blades, nacelle, and tower is also accurately considered herein. Calculated blade loads based on unsteady CFD method with respect to blade azimuth angle are compared with those by NREL FAST code and physically investigated in detail.
Three-Dimensional Euler equations are solved numerically for the analysis of contraction flows in wind or water tunnels. A second-order finite difference method is used for the spatial discretization on the nonstaggered grid system and the 4-stage Runge-Kutta scheme for the numerical integration in time. In order to speed up the convergence, the local time stepping and the implicit residual-averaging schemes are introduced. The pressure field is obtained by solving the pressure-Poisson equation with the Neumann boundary condition. For the evaluation of the present Euler solver, numerical computations are carried out for the various contraction geometries, one of which was adopted in the Large Cavitation Channel for the U.S. Navy. The comparison of the computational results with the available experimental data shows good agreements.
The aerodynamic characteristics of vehicles are critical to assess vehicle safety and passenger comfort for vehicles running on long span bridges in a windy environment. However, in previous wind-vehicle-bridge (WVB) system analysis, the aerodynamic interference between the vehicle and the bridge was seldom considered, which will result in changing aerodynamic coefficients. In this study, the aerodynamic coefficients of a high-sided truck on the ground (ground case) and a typical bridge deck (bridge deck case) are determined in a wind tunnel. The effects of existent structures including the bridge deck and bridge accessories on the high-sided vehicle's aerodynamic characteristics are investigated. A three-dimensional analytical framework of a fully coupled WVB system is then established based on the finite element method. By inputting the aerodynamic coefficients of both cases into the WVB system separately, the vehicle safety and passenger comfort are assessed, and the critical accidental wind speed for the truck on the bridge in a windy environment is derived. The differences in the bridge response between the windward case and the leeward case are also compared. The results show that the bridge deck and the accessories play a positive role in ensuring vehicle safety and improving passenger comfort, and the influence of aerodynamic interference on the response of the bridge is weak.
Kim, Hae-Min;Jeong, Jong-Hyeok;Kim, Hyunuk;Park, Chang-Geun;Kim, Baek-Jo;Kim, Seung-Bum
Atmosphere
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v.30
no.2
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pp.169-181
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2020
We conducted a study on the impact of observation station density; this was done in order to enable the accurate estimation of spatial meteorological variables. The purpose of this study is to help operate an efficient observation network by examining distributions of temperature, relative humidity, and wind speed in a test area of a three-dimensional meteorological observation project in the Yeongdong region in 2019. For our analysis, we grouped the observation stations as follows: 41 stations (for Step 4), 34 stations (for Step 3), 17 stations (for Step 2), and 10 stations (for Step 1). Grid values were interpolated using the kriging method. We compared the spatial accuracy of the estimated meteorological grid by using station density. The effect of increased observation network density varied and was dependent on meteorological variables and weather conditions. The temperature is sufficient for the current weather observation network (featuring an average distance about 9.30 km between stations), and the relative humidity is sufficient when the average distance between stations is about 5.04 km. However, it is recommended that all observation networks, with an average distance of approximately 4.59 km between stations, be utilized for monitoring wind speed. In addition, this also enables the operation of an effective observation network through the classification of outliers.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.13
no.1
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pp.65-77
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1997
A theoretical and numerical investigation on the boundary-layer flow over a two- or three-dimensional hill is presented. The numerical model is based on the finite volume method with boundary-fitted coordinates. The k-$\varepsilon$ turbulence model with modified wall function and the low-Reynolds-number model are employed. The hypothesis of Reynolds number independency for the atmospheric boundary-layer flow over aerodynamically rough terrain is confirmed by the numerical simulation. Comparisons of the mean velocity profiles and surface pressure distributions between the numerical predictions and the wind-tunnel experiments on the flow over a hill show good agreement. The linear theory provides generally good prediction of speed-up characteristics for the gentle-sloped hills. The flow separation occurs in the hill slope of 0.5 and the measured reattachment points are compared with the numerical prediction. It is found that the k- $\varepsilon$ turbulence model is reasonably accurate in predicting the attached flow, while the low- Reynolds-number model is more suitable to simulate the separated flows.ows.
Two and three-dimensional flows around a cross-flow wind turbine are investigated by the numerical simulation. The turbine studied in this paper has cylindrical shape with many small blades along its periphery. Incompressible Navier-Stokes equation is used for this simulation. A rotating coordinate system, which rotates at the same speed of the turbine, is used in order to simplify the boundary conditions on the blades of the turbine. Additionally, a boundary fitted coordinate system is employed in order to express the shape of the blades precisely. A third order upwind scheme is chosen for the approximation of the non-linear terms. When the number of blades is about 10, the highest torque is obtained.
A two-dimensional flutter analysis method (2d-3DOF method) was developed to simultaneously investigate the relationship between oscillation parameters and aerodynamic derivatives of three degrees of freedom, and to clarify the coupling effects of different degrees of freedom in flutter instability. With this method, the flutter mechanism of two typical bridge deck sections, box girder section and two-isolated-girder section, were numerically investigated, and both differences and common ground in these two typical flutter phenomena are summarized. Then the flutter stabilization effect and its mechanism for long-span bridges with box girders by using central-slotting were studied by experimental investigation of aerodynamic stability and theoretical analysis of stabilizing mechanism. Possible explanation of new findings in the evaluation trend of critical wind speed through central vent width is finally presented.
In recent years, there have been an increasing number of experimental studies showing the need to include robustness criteria in the design process to develop complex active control designs for practical implementation. The paper investigates the crosswind aerodynamic parameters after the blocking phase of a two-dimensional square cross-section structure by measuring the response in wind tunnel tests under light wind flow conditions. To improve the accuracy of the results, the interpolation of the experimental curves in the time domain and the analytical responses were numerically optimized to finalize the results. Due to this combined effect, the three aerodynamic parameters decrease with increasing wind speed and asymptotically affect the upper branch constants. This means that the aerodynamic parameters along the density distribution are minimal. Taylor series are utilized to describe the fuzzy nonlinear plant and derive the stability analysis using polynomial function for analyzing the aerodynamic parameters and numerical simulations. Due to it will yield intricate terms to ensure stability criterion, therefore we aim to avoid kinds issues by proposing a polynomial homogeneous framework and utilizing Euler's functions for homogeneous systems. Finally, we solve the problem of stabilization under the consideration by SOS (sum of squares) and assign its fuzzy controller based on the feasibility of demonstration of a nonlinear system as an example.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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