Non-uniform and unsteady inflow into a Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) brings about an asymmetric flow field on the rotor plane and an unsteady aerodynamic load on the blades. In the present paper effects of yawed inflow and wind shear are analyzed by an inviscid aerodynamic model based on the asymptotic acceleration potential method. In the analysis the rotor blades are represented by spanwise and chordwise pressure distribution composed of analytical first-order asymptotic solutions for the Laplace equation. As the actual wind field experienced by a HAWT is turbulent, the effects of the turbulence are also examined using the Veers' model.
In order to examine the effects of different wind deflectors on the wind load distribution characteristics of extra-large cooling towers, a comparative study of the distribution characteristics of wind pressures on the surface of three large cooling towers with typical wind deflectors and one tower without wind deflector was conducted using wind tunnel tests. These characteristics include aerodynamic parameters such as mean wind pressures, fluctuating wind pressures, peak factors, correlation coefficients, extreme wind pressures, drag coefficients and vorticity distribution. Then distribution regularities of different wind deflectors on global and local wind pressure of extra-large cooling towers was extracted, and finally the fitting formula of extreme wind pressure of the cooling towers with different wind deflectors was provided. The results showed that the large eddy simulation (LES) method used in this article could be used to accurately simulate wind loads of such extra-large cooling towers. The three typical wind deflectors could effectively reduce the average wind pressure of the negative pressure extreme regions in the central part of the tower, and were also effective in reducing the root of the variance of the fluctuating wind pressure in the upper-middle part of the windward side of the tower, with the curved air deflector showing particularly. All the different wind deflectors effectively reduced the wind pressure extremes of the middle and lower regions of the windward side of the tower and of the negative pressure extremes region, with the best effect occurring in the curved wind deflector. After the wind deflectors were installed the drag coefficient values of each layer of the middle and lower parts of the tower were significantly higher than that without wind deflector, but the effect on the drag coefficients of layers above the throat was weak. The peak factors for the windward side, the side and leeward side of the extra-large cooling towers with different wind deflectors were set as 3.29, 3.41 and 3.50, respectively.
In order to investigate the influence of different blade positions on aerodynamic load and wind loads and load-effects of large scale wind turbine tower under the halt state, we take a certain 3 MW large scale horizontal axis three-blade wind turbine as the example for analysis. First of all, numerical simulation was conducted for wind turbine flow field and aerodynamic characteristics under different halt states (8 calculating conditions in total) based on LES (large eddy simulation) method. The influence of different halt states on the average and fluctuating wind pressure coefficients of turbine tower surface, total lift force and resistance coefficient, circular flow and wake flow characteristics was compared and analysed. Then on this basis, the time-domain analysis of wind loads and load-effects was performed for the wind turbine tower structure under different halt states by making use of the finite element method. The main conclusions of this paper are as follows: The halt positions of wind blade could have a big impact on tower circular flow and aerodynamic distribution, in which Condition 5 is the most unfavourable while Condition 1 is the most beneficial condition. The wind loads and load-effects of disturbed region of tower is obviously affected by different halt positions of wind blades, especially the large fluctuating displacement mean square deviation at both windward and leeward sides, among which the maximum response occurs in $350^{\circ}$ to the tower top under Condition 8; the maximum bending moment of tower bottom occurs in $330^{\circ}$ under Condition 2. The extreme displacement of blade top all exceeds 2.5 m under Condition 5, and the maximum value of windward displacement response for the tip of Blade 3 under Condition 8 could reach 3.35 m. All these results indicate that the influence of halt positions of different blades should be taken into consideration carefully when making wind-resistance design for large scale wind turbine tower.
Lou, Wenjuan;Bai, Hang;Huang, Mingfeng;Duan, Zhiyong;Bian, Rong
Wind and Structures
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v.31
no.2
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pp.165-183
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2020
The first step of performance-based design for transmission lines is the determination of wind fields as well as wind loads, which are largely depending on local wind climate and the surrounding terrain. Wind fields in a mountainous area are very different with that in a flat terrain. This paper firstly investigated both mean and fluctuating wind characteristics of a typical mountainous wind field by wind tunnel tests and computational fluid dynamics (CFD). The speedup effects of mean wind and specific turbulence properties, i.e., turbulence intensity, power spectral density (PSD) and coherence function, are highlighted. Then a hybrid simulation framework for generating three dimensional (3D) wind velocity field in the mountainous area was proposed by combining the CFD and proper orthogonal decomposition (POD) method given the properties of the target turbulence field. Finally, a practical 220 kV transmission line was employed to demonstrate the effectiveness of the proposed wind field generation framework and its role in the performance-based design. It was found that the terrain-induce turbulence effects dominate the performance-based structural design of transmission lines running through the mountainous area.
Wind flow and pressure on the roof of the Texas Tech Experimental Building are studied along with the incident wind in an effort to understand the wind-structure interaction and the mechanisms of roof pressure generation. Two distinct flow phenomena, cornering vortices and separation bubble, are investigated. It is found for the cornering vortices that the incident wind angle that favors formation of strong vortices is bounded in a range of approximately 50 degrees symmetrical about the roof-corner bisector. Peak pressures on the roof corner are produced by wind gusts approaching at wind angles conducive to strong vortex formation. A simple analytical model is established to predict fluctuating pressure coefficients on the leading roof corner from the knowledge of the mean pressure coefficients and the incident wind. For the separation bubble situation, the mean structure of the separation bubble is established. The role of incident wind turbulence in pressure-generation mechanisms for the two flow phenomena is better understood.
Sarmasti, Hadi;Abedi, Karim;Chenaghlou, Mohammad Reza
Wind and Structures
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v.31
no.6
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pp.509-522
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2020
Wind load is the principal cause for a large number of the collapse of transmission lines around the world. The transmission line is traditionally designed for wind load according to a linear equivalent method, in which dynamic effects of wind are not appropriately included. Therefore, in the present study, incremental dynamic analysis is utilized to investigate the stability behavior of a 400 kV transmission line under wind load. In that case, the effects of vibration of cables and aerodynamic damping of cables were considered on the stability behavior of the transmission line. Superposition of the harmonic waves method was used to calculate the wind load. The corresponding wind speed to the beginning of the transmission line collapse was determined by incremental dynamic analysis. Also, the effect of the yawed wind was studied to determine the critical attack angle by the incremental dynamic method. The results show the collapse mechanisms of the transmission line and the maximum supportable wind speed, which is predicted 6m/s less than the design wind speed of the studied transmission line. Based on the numerical modeling results, a retrofitting method has been proposed to prevent failure of the tower members under design wind speed.
A series of wind tunnel free-decay sectional model dynamic tests were conducted to examine the effects of torsional-to-vertical natural frequency ratio of 2DOF bridge dynamic systems on the aerodynamic and dynamic properties of bridge decks. The natural frequency ratios tested were around 2.2:1 and 1.2:1 respectively, with the fundamental vertical natural frequency of the system held constant for all the tests. Three 2.9 m long twin-deck bridge sectional models, with a zero, 16% (intermediate gap) and 35% (large gap) gap-to-width ratio, respectively, were tested to determine whether the effects of frequency ratio are dependent on bridge deck cross-section shapes. The results of wind tunnel tests suggest that for the model with a zero gap-width, a model to approximate a thin flat plate, the flutter derivatives, and consequently the aerodynamic forces, are relatively independent of the torsional-to-vertical frequency ratio for a relatively large range of reduced wind velocities, while for the models with an intermediate gap-width (around 16%) and a large gap-width (around 35%), some of the flutter derivatives, and therefore the aerodynamic forces, are evidently dependent on the frequency ratio for most of the tested reduced velocities. A comparison of the modal damping ratios also suggests that the torsional damping ratio is much more sensitive to the frequency ratio, especially for the two models with nonzero gap (16% and 35% gap-width). The test results clearly show that the effects of the frequency ratio on the flutter derivatives and the aerodynamic forces were dependent on the aerodynamic cross-section shape of the bridge deck.
A new inflow turbulence generation method and a combined dynamic SGS model recently developed by the authors were applied to evaluate the wind effects on 508 m high Taipei 101 Tower. Unlike the majority of the past studies on large eddy simulation (LES) of wind effects on tall buildings, the present numerical simulations were conducted for the full-scale tall building with Reynolds number greater than $10^8$. The inflow turbulent flow field was generated based on the new method called discretizing and synthesizing of random flow generation technique (DSRFG) with a prominent feature that the generated wind velocity fluctuations satisfy any target spectrum and target profiles of turbulence intensity and turbulence integral length scale. The new dynamic SGS model takes both advantages of one-equation SGS model and a dynamic production term without test-filtering operation, which is particular suitable to relative coarse grid situations and high Reynolds number flows. The results of comparative investigations with and without generation of inflow turbulence show that: (1) proper simulation of an inflow turbulent field is essential in accurate evaluation of dynamic wind loads on a tall building and the prescribed inflow turbulence characteristics can be adequately imposed on the inflow boundary by the DSRFG method; (2) the DSRFG can generate a large number of random vortex-like patterns in oncoming flow, leading to good agreements of both mean and dynamic forces with wind tunnel test results; (3) The dynamic mechanism of the adopted SGS model behaves adequately in the present LES and its integration with the DSRFG technique can provide satisfactory predictions of the wind effects on the super-tall building.
Wind and temperature have been shown to be the critical sources causing changes in the modal properties of large-scale bridges. While the individual effects of wind and temperature on modal variability have been widely studied, the investigation about the effects of multiple environmental factors on structural modal properties was scarcely reported. This paper addresses the modeling of the simultaneous effects of wind and temperature on the modal frequencies of an instrumented cable-stayed bridge. Making use of the long-term monitoring data from anemometers, temperature sensors and accelerometers, a neural network model is formulated to correlate the modal frequency of each vibration mode with wind speed and temperature simultaneously. Research efforts have been made on enhancing the prediction capability of the neural network model through optimal selection of the number of hidden nodes and an analysis of relative strength of effect (RSE) for input reconstruction. The generalization performance of the formulated model is verified with a set of new testing data that have not been used in formulating the model. It is shown that using the significant components of wind speeds and temperatures rather than the whole measurement components as input to neural network can enhance the prediction capability. For the fundamental mode of the bridge investigated, wind and temperature together apply an overall negative action on the modal frequency, and the change in wind condition contributes less to the modal variability than the change in temperature.
Advancements in materialistic life styles and increasing awareness about adverse climatic changes and its negative effects on human life have been the driving force of finding new and clean sources of energy. Wind power has become technologically mature and commercially acceptable on global scale. However, fossil fuels have been the major sources of energy in most countries, renewable energy (particularly wind) is now booming worldwide. To cope with this wind energy technology, various related aspects have to be understood by the scientific, engineering, utility, and contracting communities. This study is an effort towards the understanding of the (i) wind turbine blade and tower structural stability issues, (ii) turbine blade and tower failures and remedial measures, (iii) weather and seismic effects on turbine blade and tower failures, (iv) gear box failures, and (v) turbine blade and tower failure analysis tools.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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