A model has been developed to predict natural ventilation in a single zone building with large openings. This study first presents pressure-based equations on natural ventilation, that include the combined effect of wind and thermal buoyancy. Moreover, the concept of neutral pressure level(NPL) is introduced to consider the two-way flow through a large opening. The total pressure differences across the opening and the NPL are calculated, and nonlinear equations are solved to find the zonal pressure to satisfy mass conservation. For this analysis, an iterative technique of successively approximating the zonal pressure is used. The results of applying this study model to several simple cases are as follows. When there is no wind and only the stack effect is caused, a one-way flow occurs in both the top and bottom openings in the case of two openings of equal-area, and a one-way flow occurs in the top opening; however, a two-way flow occurs in the bottom opening in the case of two openings of unequal-area. When there is a wind effect, regardless of whether the outside air temperature is lower or higher than the indoor air temperature, air flows into the room through the bottom opening and out of the room through the top opening. As the wind velocity increases, the wind effect appears to be more influential than the stack effect owing to the temperature difference.
This paper presents investigation of topographic effects over isolated 3-dimensional hills through wind tunnel experiments in a boundary layer wind tunnel. Topographic models having five different slopes of $5.71^{\circ},\;11.31^{\circ},\;16.70^{\circ},\;21.80^{\circ}$, and $26.57^{\circ}$, which were based on KBC(2005), were taken into account in the study. The maximum topographic factor and the range of topographic effect from the experiment were compared with those from worldwide major codes and standards, such as ASCE-7-02, AS/NZS-1170.2:2002, ISO4354(1997), and KBC(2005). From the comparison of major codes and standards, in the vertical region of topographic effect, the gentler the slope was. the more different the topographic factors and ranges of topographic effect were, but the steeper the slope was, the more similar they were. It was found from the experimental study that the region of topographic effect in the slope in the across wind direction was greater than the regions of major codes and standard. Also, the gentler the slope was. the larger the topographic factor from the experiment was than the factors of major codes and standards.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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제11권1호
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pp.606-623
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2019
The path following problem of a ship sailing in restricted waters under wind effect is investigated based on Robust $H_{\infty}$ Guaranteed Cost Control (RHGCC). To design the controller, the ship maneuvering motion is modeled as a linear uncertain system with norm-bounded time-varying parametric uncertainty. To counteract the bank and wind effects, the integral of path error is augmented to the original system. Based on the extended linear uncertain system, sufficient conditions for existence of the RHGCC are given. To obtain an optimal robust $H_{\infty}$ guaranteed cost control law, a convex optimization problem with Linear Matrix Inequality (LMI) constraints is formulated, which minimizes the guaranteed cost of the close-loop system and mitigates the effect of external disturbance on the performance output. Numerical simulations have confirmed the effectiveness and robustness of the proposed control strategy for the path following goal of a ship sailing in restricted waters under wind effect.
As a novel typical wind-sensitive structure, the wind load and wind-induced structural behaviors of super-large straight-cone cooling towers are in an urgent need to be addressed and studied. A super large straight-cone steel cooling tower (189 m high, the highest in Asia) that is under construction in Shanxi Power Plant in China was taken as an example, for which four finite element models corresponding to four structural types: the main drum; main drum + stiffening rings; main drum + stiffening rings + auxiliary rings (auxiliary rings are hinged with the main drum and the ground respectively); and main drum + stiffening rings + auxiliary rings (auxiliary rings are fixed onto the main drum and the ground respectively), were established to compare and analyze the dynamic properties and force transferring paths of different models. After that, CFD method was used to conduct numerical simulation of flow field and mean wind load around the cooling tower. Through field measurements and wind tunnel tests at home and abroad, the reliability of using CFD method for numerical simulation was confirmed. On the basis of this, the surface flow and trail characteristics of the tower at different heights were derived and the wind pressure distribution curves for the internal and external surfaces at different heights of the tower were studied. Finally, based on the calculation results of wind-induced responses of the four models, the effects of stiffening rings, auxiliary rings, and different connecting modes on the dynamic properties and wind-induced responses of the tower structure were derived and analyzed; meanwhile, the effect mechanism of internal suction on such kind of cooling tower was discussed. The study results could provide references to the structure selection and wind resistance design of such type of steel cooling towers.
Wind field in mountainous regions demonstrates unique distribution characteristic as compared with the wind field of the flat area, wind load and wind effect are the key considerations in structural design of television towers situated in mountainous regions. The television tower to be constructed is located at the top of Xiushan Mountain in Nanjing, China. In order to investigate the impact of terrain factors of hilltops on wind loads, firstly a wind tunnel test was performed for the mountainous area within 800m from the television tower. Then the tower basal forces such as bending moments and shear strength were obtained based on high frequency force balance (HFFB) test. Based on the experiments, the improved method for determining the load combinations was applied to extract the response distribution patterns of foundation internal force and peak acceleration of the tower top, then the equivalent static wind loads were computed under different wind angles, load conditions and equivalent goals. The impact of terrain factors, damping ratio and equivalent goals on the wind load distribution of a television tower was discussed. Finally the equivalent static wind loads of the television tower under the 5 most adverse wind angles and 5 most adverse load conditions were computed. The experimental method, computations and research findings provide important references for the anti-wind design of high-rise structure built on hilltops.
Higher-mode vertical vortex-induced vibrations (VIV) have been observed on several steel box-girder suspension bridges where different vertical modes are selectively excited in turn with wind velocity in accordance with the Strouhal law. Understanding the relationship of VIV amplitudes for different modes of vibration is very important for wind-resistant design of long-span box-girder suspension bridges. In this study, the basic rectangular cross-section with side ratio of B/D=6 is used to investigate the effect of different modes on VIV amplitudes by section model tests. The section model is flexibly mounted in wind tunnel with a variety of spring constants for simulating different modes of vibration and the non-dimensional vertical amplitudes are determined as a function of reduced velocity U/fD. Two 'lock-in' ranges are observed at the same onset reduced velocities of approximately 4.8 and 9.4 for all cases. The second 'lock-in' range, which is induced by the conventional vortex shedding, consistently gives larger responses than the first one and the Sc-normalized maximum non-dimensional responses are almost the same for different spring constants. The first 'lock-in' range where the vibration frequency is approximately two times the vortex shedding frequency is probably a result of super-harmonic resonance or the "frequency demultiplication". The main conclusion drawn from the section model study, central to the higher-mode VIV of suspension bridges, is that the VIV amplitude for different modes is the same provided that the Sc number for these modes is identical.
This paper proposes a novel strategy for attenuating the output power fluctuation of the wind farm (WF) in a range of tens of seconds delivered to the grid, where the kinetic energy caused by the large inertia of the wind turbine systems is utilized. A control scheme of the two-level structure is applied to control the wind farm, which consists of a supervisory control of the wind farm and individual wind turbine controls. The supervisory control generates the output power reference of the wind farm, which is filtered out from the available power extracted from the wind by a low-pass filter (LPF). A lead-lag compensator is used for compensating for the phase delay of the output power reference compared with the available power. By this control strategy, when the reference power is lower than the maximum available power, some of individual wind turbines are operated in the storing mode of the kinetic energy by increasing the turbine speeds. Then, these individual wind turbines release the kinetic power by reducing the turbine speed, when the power command is higher than the available power. In addition, the pitch angle control systems of the wind turbines are also employed to limit the turbine speed not higher than the limitation value during the storing mode of kinetic energy. For coordinating the de-rated operation of the WT and the storing or releasing modes of the kinetic energy, the output power fluctuations are reduced by about 20%. The PSCAD/EMTDC simulations have been carried out for a 10-MW wind farm equipped with the permanent-magnet synchronous generator (PMSG) to verify the validity of the proposed method.
As the Kyoto Protocol, which aims at reducing greenhouse gases in accordance to the UNFCCC, came into force, research on environment friendly energy resources has been a matter of concern worldwide. As a general power generation system, among renewable energy resources, that is interconnected and operated with power system, the wind turbine is emerging as an effective alternative. Since power capacity of the wind turbine has been steadily increasing and its relative importance is also increasing in total facility capacity, we cannot ignore its effect. Because controlling generation output in the wind turbine is not as easy as in the synchronous machine due to its facility characteristics and it generates irregular output fluctuations when interconnected with power system, system interconnection was difficult. But the effect of large capacity wind turbine on isolated power system like Jeju island is serious problem on the frequency stability. Accordingly, it is necessary to analyze the effects of wind turbine on system interconnection and assess the optimum capacity of wind turbine that satisfies the most important principle of stable power supply. This paper have analyzed the effects of wind turbine capacity increases on the system and suggested the method of the capacity to achieve its steady operation. And It is applied to the Jeju island.
Sundaresan, Aakhash;Arunvinthan, S.;Pasha, A.A.;Pillai, S. Nadaraja
Wind and Structures
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제32권3호
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pp.205-217
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2021
Cold regions with high air density and wind speed attract wind energy producers across the globe exhibiting its potential for wind exploitation. However, exposure of wind turbine blades to such cold conditions bring about devastating impacts like aerodynamic degradation, production loss and blade failures etc. A series of wind tunnel tests were performed to investigate the effect of icing on the aerodynamic properties of wind turbine blades. A baseline clean wing configuration along with four different ice accretion geometries were considered in this study. Aerodynamic force coefficients were obtained from the surface pressure measurements made over the test model using MPS4264 Simultaneous pressure scanner. 3D printed Ice templates featuring different ice geometries based on Icing Research Tunnel data is utilized. Aerodynamic characteristics of both the clean wing configuration and Ice accreted geometries were analysed over a wide range of angles of attack (α) ranging from 0° to 24° with an increment of 3° for three different Reynolds number in the order of 105. Results show a decrease in aerodynamic characteristics of the iced aerofoil when compared against the baseline clean wing configuration. The key flow field features such as point of separation, reattachment and formation of Laminar Separation Bubble (LSB) for different icing geometries and its influence on the aerodynamic characteristics are addressed. Additionally, attempts were made to understand the influence of Reynolds number on the iced-aerofoil aerodynamics.
Today, the power capacity of a wind turbine and the size of a blade is increasing to capture more wind resources, reduce the number of wind turbines on a wind farm, and reduce the cost of energy. As the blade size becomes larger, attention is being paid to the structural integrity of the blade root connection due to the heavy gravitational load effect and increased aerodynamic loads on the large blade, which could cause catastrophic failure of the blade. Therefore, the secure bolted joint connection of the blade to the hub is very important. In this paper, attention was given to the stress concentration factor (SCF) at the first thread between the M42 bolt and nut. The effect of various design parameters on the stress concentration factor was investigated, which included nut type, nut height, and reduced shank bolt. From a close design investigation of the numerical results, it turned out that the use of a reduced shank bolt resulted in the largest reduction of the stress concentration factor by 40 %, and the round nut type also reduced the SCF by 10 %, which will be beneficial to large wind turbine blades over 100 meters.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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