This study aimed to develop an approach to accurately predict the wind models and wind effects of large wind turbines. The wind-induced vibration characteristics of a 5 MW tower-blade coupled wind turbine system have been investigated in this paper. First, the blade-tower integration model was established, which included blades, nacelle, tower and the base of the wind turbine system. The harmonic superposition method and modified blade element momentum theory were then applied to simulate the fluctuating wind field for the rotor blades and tower. Finally, wind-induced responses and equivalent static wind loads (ESWL) of the system were studied based on the modified consistent coupling method, which took into account coupling effects of resonant modes, cross terms of resonant and background responses. Furthermore, useful suggestions were proposed to instruct the wind resistance design of large wind turbines. Based on obtained results, it is shown from the obtained results that wind-induced responses and ESWL were characterized with complicated modal responses, multi-mode coupling effects, and multiple equivalent objectives. Compared with the background component, the resonant component made more contribution to wind-induced responses and equivalent static wind loads at the middle-upper part of the tower and blades, and cross terms between background and resonant components affected the total fluctuation responses, while the background responses were similar with the resonant responses at the bottom of tower.
A critical issue in the field of the rotor aerodynamics is the treatment of the wake. The wake is of primary importance in determining overall aerodynamic behavior, especially, a wind turbine blade includes the unsteady air loads problem. In this study, the wake generated by blades are depicted by a free wake model to analyse unsteady loading on blade and a new free wake model named Finite Vortex Element(FVE hereafter) is devised in order to include a wake-tower interact ion. In this new free wake model, blade-wake-tower interaction is described by cutting a vortex filament when the filament collides with a tower. This FVE model is compared with a conventional free wake model and verified by a comparison with NREL and SNU wind tunnel model. A comparison with NREL and SNU data shows validity and effectiveness of devised FVE free wake model and an efficient.
When typhoons passed around the Korea Strait, some observation in this strait carried out by Mizuno et al. (1986) gives us the following oceanographic features; 1) the direction of the observed current was opposite to the northeasterly wind, 2) temperature rapidly increased having a time lag as the depth deepens, after then decreased with oscillation. A primitive equation ocean model that makes use of a sigma-coordinate system and incorporates a typhoon model was used to examine the mechanism to generate these phenomena. The model region covers the East China Sea, the Yellow Sea, and a portion of the East Sea (Japan Sea). The model well reproduces the observed features, especially in temperature field, and clearly manifests how the above observed features happened. From early time when the typhoon was located in low latitude, an alongshore northward current in the west of Kyushu (hereafter the West Kyushu Current) is generated by an alongshore wind in the typhoon. This current flows into the eastern channel, as a coastal jet, regardless to the wind field within the Korea Strait during this period. The above observed phenomena are generated by this current. The model results indicate that when typhoons pass around the Korea Strait, the West Kyushu Current is generated, and oceanographic condition in the strait should be greatly influenced by this current.
To predict reasonably the movement and the concentration of the pollutants in the coastal area. A simulation model should be prepared considering detail topography with land-sea and the urban effects, and the resolution near the source. The explicit method can not be applied due to the instability of the numerical calculation in high horizontal-grid resolution, while the ADI scheme satisfied with the high horizontal grid resolution and can be used in the fine mesh system which shows the detail topography, atmospheric flow The ADI method which studied the high horizontal grid resolution was excellent. The two dimensional model used in the study using ADI method is proved as a reasonable model to predict the wind field in any small scale area including mountainous coastal urban area.
PURPOSES: Evaluation of the wind speed effect on the temperature drop of an asphalt mixture during construction, by using the transient heat transfer theory and dominant convective heat transfer coefficient model. METHODS: Finite difference method (FDM) is used to solve the transient heat transfer difference equation numerically for various wind speeds and initial temperature conditions. The Blasius convective heat transfer coefficient model is adapted to account for the effect of wind speed in the temperature predictions of the asphalt mixture, and the Beaufort number is used to select a reasonable wind speed for the analysis. As a function of time and depth, the temperature of the pavement structure is predicted and analyzed for the given initial conditions. RESULTS : The effect of wind speed on the temperature drop of asphalt mixture is found to be significant. It seems that wind speed is another parameter to be accounted for in the construction specifications for obtaining a better quality of the asphalt mixture. CONCLUSIONS: It is concluded that wind speed has a significant effect on the temperature drop of the asphalt layer. Although additional field observations have to be made to reflect the effect of wind speed on the construction specifications, it appears that wind speed is a dominant variable to be considered, in addition to the atmospheric temperature.
The wind-blown sand effect on the high-speed train is investigated. Unsteady RANS equation and the SST k-ω turbulent model coupled with the discrete phase model (DPM) are utilized to simulate the two-phase of air-sand. Sand impact force is calculated based on the Hertzian impact theory. The different cases, including various wind velocity, train speed, sand particle diameter, were simulated. The train's flow field characteristics and the sand impact force were analyzed. The results show that the sand environment makes the pressure increase under different wind velocity and train speed situations. Sand impact force increases with the increasing train speed and sand particle diameter under the same particle mass flow rate. The train aerodynamic force connected with sand impact force when the train running in the wind-sand environment were compared with the aerodynamic force when the train running in the pure wind environment. The results show that the head car longitudinal force increase with wind speed increasing. When the crosswind speed is larger than 35m/s, the effect of the wind- sand environment on the train increases obviously. The longitudinal force of head car increases 23% and lateral force of tail increases 12% comparing to the pure wind environment. The sand concentration in air is the most important factor which influences the sand impact force on the train.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.18
no.1
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pp.17-27
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2017
The treatment of rotor wake has been a critical issue in the field of the rotor aerodynamics. This paper presents a new free wake model for the unsteady analysis for a wind turbine. A blade-wake-tower interaction is major source of unsteady aerodynamic loading and noise on the wind turbine. However, this interaction can not be considered in conventional free wake model. Thus, the free wake model named Finite Vortex Element (FVE hereafter) was devised in order to consider the interaction effects. In this new free wake model, the wake-tower interaction was described by dividing one vortex filament into two vortex filaments, when the vortex filament collided with a tower. Each divided vortex filaments were remodeled to make vortex ring and horseshoe vortex to satisfy Kelvin's circulation theorem and Helmholtz's vortex theorem. This model was then used to predict aerodynamic load and wake geometry for the horizontal axis wind turbine. The results of the FVE model were compared with those of the conventional free wake model and the experimental results of SNU wind tunnel test and NREL wind tunnel test under various inflow velocity and yaw condition. The result of the FVE model showed better correlation with experimental data. It was certain that the tower interaction has a strong effect on the unsteady aerodynamic load of blades. Thus, the tower interaction needs to be taken into account for the unsteady load prediction. As a result, this research shows a potential of the FVE for an efficient and versatile numerical tool for unsteady loading analysis of a wind turbine.
Kim, Hea-Jung;Kim, Hyun-Sik;Choi, Young-Jean;Lee, Seong-Woo;Seo, Beom-Keun
The Korean Journal of Applied Statistics
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v.24
no.6
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pp.1225-1235
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2011
This paper suggests a method for tuning a numerically simulated wind speed data, provided by NIMR(National Institute of Meteorological Research) and generated from a numerical meteorological model to improve a wind resource map with a $1Km{\times}1Km$ resolution. To this end, "tuning factor method" is developed that consists of two procedures. First, estimate monthly wind fields based on a suitably designed statistical wind field model that covers 345,682 regions obtained by $1Km{\times}1Km$ lattice sites in South Korea. The second procedure computes the tuning factor and then tunes the generated wind speeds of each month as well as each lattice site. The second procedure is based on the wind fields estimated by the first procedure. The performance of the suggested tuning method is demonstrated by using two wind data(both TMY and numerically simulated wind speed data) of 75 weather station areas.
Hua, Xu G.;Chen, Zheng Q.;Lei, Xu;Wen, Qin;Niu, Hua W.
Smart Structures and Systems
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v.23
no.6
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pp.683-693
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2019
In August 2012, during the passage of the typhoon Haikui (1211), large amplitude vibrations were observed on long hangers of the Xihoumen suspension Bridge, which destroyed a few viscoelastic dampers originally installed to connect a pair of hanger ropes transversely. The purpose of this study is to identify the cause of vibration and to develop countermeasures against vibration. Field measurements have been conducted in order to correlate the wind and vibration characteristics of hangers. Furthermore, a replica aeroelastic model of prototype hangers consisting of four parallel ropes was used to study the aeroelastic behavior of hanger ropes and to examine the effect of the rigid spacers on vibration mitigation. It is shown that the downstream hanger rope experiences the most violent elliptical vibration for certain wind direction, and the vibration is mainly attributed to wake interference of parallel hanger ropes. Based on wind tunnel tests and field validation, it is confirmed that four rigid spacers placed vertically at equal intervals are sufficient to suppress the wake-induced vibrations. Since the deployment of spacers on hangers, server hanger vibrations and clash of hanger ropes are never observed.
The wind-resistant performance of bridges is generally evaluated based on the strip assumption. For the arch rib of arch bridges, the situation is different due to the curve axis and the variable cross-sectional size. In the construction stage, the arch rib supported by a cable system exhibits flexible dynamic characteristics, and the wind-resistant performance attracts specially attention. To evaluate the wind-induced vibration of an arch rib with the maximum cantilever state, the finite element model was established to compute the structural dynamic characteristics. Then, a three-dimensional (3D) fluid-solid coupling analysis method was realized. After verifying the reliability of the method based on a square column, the wind-induced vibration of the arch rib was computed. The vortex-induced vibration (VIV) performance of the arch rib was focused and the flow field characteristics were discussed to explain the VIV phenomenon. The results show that the arch rib with the maximum cantilever state had the possibility of VIV at high wind speeds but the galloping was not observed. The lock-in wind speeds were larger than the results based on the strip assumption. Due to the vibration of arch rib, the frequency of shedding vortices along the arch axis trended to be uniform.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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