Papinutti, Mitja;Cetina, Matjaz;Brank, Bostjan;Petersen, Oyvind W.;Oiseth, Ole
Wind and Structures
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제31권6호
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pp.561-573
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2020
Unsteady self-excited forces are commonly represented by parametric models such as rational functions. However, this requires complex multiparametric nonlinear fitting, which can be a challenging task that requires know-how. This paper explores the alternative nonparametric modeling of unsteady self-excited forces based on relations between flutter derivatives. By exploiting the properties of the transfer function of linear causal systems, we show that damping and stiffness aerodynamic derivatives are related by the Hilbert transform. This property is utilized to develop exact simplified expressions, where it is only necessary to consider the frequency dependency of either the aeroelastic damping or stiffness terms but not both simultaneously. This approach is useful if the experimental data on aerodynamic derivatives that are related to the damping are deemed more accurate than the data that are related to the stiffness or vice versa. The proposed numerical models are evaluated with numerical examples and with data from wind tunnel experiments. The presented method can evaluate any continuous fitted table of interpolation functions of various types, which are independently fitted to aeroelastic damping and stiffness terms. The results demonstrate that the proposed methodology performs well. The relations between the flutter derivatives can be used to enhance the understanding of experimental modeling of aerodynamic self-excited forces for bridge decks.
In recent years, wind energy has been the world's fastest growing source of energy. This paper describes the structural design and analysis of composite blade for 2 kW-level HAWT (horizontal axis wind turbine). The aerodynamic design and force, which are required to design and analyze a composite blade structurally, are calculated through BEMT(blade element momentum theory) implemented in public code PROPID. To obtain the equivalent material properties of filament wound composite blades, the rule-of-mixture is applied using the basic material properties of fiber and matrix, respectively. Lay-up sequence, ply thickness and ply angle are designed to satisfy the loading conditions. Structural analysis by using commercial software ABAQUS is performed to compute the displacement and strength ratio of filament wound composite blades.
Prandtl's Lifting-line theory is the classical theory of calculating aerodynamic properties. Though it is classical method, it predicts the aerodynamic properties well. By lifting-line theory, high aspect ratio is critical factor to decrease induced drag. And 'elliptic-similar' wing also makes the minimum induced drag. But due to the problem of manufacturing, tapered wing is preferred and have been utilized. In this Paper, by using Edison CFD, verifying the classical lifting-line theory. To consider induced drag only, using Euler equation as governing equation instead of full Navier-Stokes equation. Refer to the theory, optimum taper ratio which makes the minimum induced drag is 0.3. Utilizing the CFD results, plotting oswald factor over various taper ratio and investigating whether the consequences are valid or not. As a result, solving Euler equation by EDISON CFD cannot guarantee the theoretical values because it is hard to set the proper grid to solve. Results are divided into two cases. One is the values are decreased gradually and another seems to following tendency, but values are all negative number.
Tiger Gate Bridge, a steel suspension bridge with a main span of 888 m and a stiffening box girder, is located at the Pearl River Estuary, Guangdong Province, one of the typhoon-prone area in China. Focusing on the developing of the full aeroelastic model of the bridge and simulation of the wind field of the bridge site in a large boundary wind tunnel at Tongji University, Shanghai, China, some main results about the wind resistant properties of the bridge including aerodynamic instability, buffeting responses both being in operation and erection stages by using of a full aeroelastic model wind tunnel testing are introduced. Some of analytical approaches to those aerodynamic behaviours are also presented, and compared with experimental data of the testing.
감쇠비는 현수교에 있어서 교량진동을 평가하기 위한 중요한 동적 요소 중 하나이다. 하지만, 실재 현수교에서 계측된 상시 진동신호로부터 감쇠비를 직접적으로 추정하는 것은 현실적으로 매우 어려운 일이다. 뿐만 아니라, 한정된 계측자료를 이용하여 추정된 감쇠비로부터 공기역학적 감쇠와 마찰 감쇠를 구분하는 것은 더욱 어렵다. Macdonald는 2005년 발표한 자료에서 공기역학적 감쇠성능은 풍속에 따라 선형적으로 증가한다고 하였으며, Park등은 감쇠성능은 진동의 크기에 따라 변화할 수 있다고 하였다. 따라서 본 논문에서는 이러한 감쇠비, 풍속, 진동의 크기 사이의 관계를 연구하여, 추정 감쇠비로부터 공기역학적 감쇠와 마찰 감쇠를 구분하고자 하였다. 본 논문에서 감쇠비 추정대상으로는 전라남도 고흥에 위치한 소록대교를 선택하였으며, 감쇠비 추정에는 Hilbert 변환법을 이용한 방법과 확장형 칼만필터를 이용하였다. 또한 두 방법으로 추정된 감쇠비들을 상호 비교를 실시하였다. 그 결과, 상시진동 자료와 차량재하실험으로부터 얻어진 자료를 이용하여 추정된 감쇠비와 풍속, 그리고 가속도의 크기를 이용하여 추정 감쇠비로부터 공기역학적 감쇠 성능과 마찰 감쇠 성능의 구분이 가능하다는 것을 알 수 있었다.
Two types of aerodynamic admittance function (AAF) that have been adopted in bridge aerodynamics are addressed. The first type is based on a group of supposed relations between flutter derivatives and AAFs. In so doing, the aero-elastic properties of a section could be used to determine AAFs. It is found that the supposed relations hold only for cases when the gust frequencies are within a very low range. Predominant frequencies of long-span bridges are, however, far away from this range. In this sense, the AAFs determined this way are of little practical significance. Another type of AAFs is based on the relation between the Theodorsen circulation function and the Sears function, which holds for thin airfoil theories. It is found, however, that an obvious illogicality exists in this methodology either. In this article, a viewpoint is put forward that AAFs of bluff bridge deck sections are inherently dependent on oncoming turbulent properties. This kind of dependence is investigated with a thin plate and a double-girder bluff section via computational fluid dynamics method. Two types of wind fluctuations are used for identification of AAFs. One is turbulent wind flow while the other is harmonic. The numerical results indicate that AAFs of the thin plate agree well with the Sears AAF, and show no obvious dependence on the oncoming wind fields. In contrast, for the case of bluff double-girder section, AAFs identified from the turbulent and harmonic flows of different amplitudes differ among each other, exhibiting obvious dependence on the oncoming wind field properties.
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.
The objective of this work was to investigate the interference effects of two-parallel bridge decks on aerodynamic coefficients, vortex-induced vibration, flutter instability and flutter derivatives. The two bridges have significant difference in cross-sections, dynamic properties, and flutter speeds of each isolate bridge. The aerodynamic static tests and aeroelastic tests were performed in TU-AIT boundary layer wind tunnel in Thammasat University (Thailand) with sectional models in a 1:90 scale. Three configuration cases, including the new bridge stand-alone (case 1), the upstream new bridge and downstream existing bridge (case 2), and the downstream new bridge and the upstream existing bridge (case 3), were selected in this study. The covariance-driven stochastic subspace identification technique (SSI-COV) was applied to identify aerodynamic parameters (i.e., natural frequency, structural damping and state space matrix) of the decks. The results showed that, interference effects of two bridges decks on aerodynamic coefficients result in the slightly reduction of the drag coefficient of case 2 and 3 when compared with case 1. The two parallel configurations of the bridge result in vortex-induced vibrations (VIV) and significantly lower the flutter speed compared with the new bridge alone. The huge torsional motion from upstream new bridge (case 2) generated turbulent wakes flow and resulted in vertical aerodynamic damping H1* of existing bridge becomes zero at wind speed of 72.01 m/s. In this case, the downstream existing bridge was subjected to galloping oscillation induced by the turbulent wake of upstream new bridge. The new bridge also results in significant reduction of the flutter speed of existing bridge from the 128.29 m/s flutter speed of the isolated existing bridge to the 75.35 m/s flutter speed of downstream existing bridge.
This paper proposes a novel airfoil named "KA2" for the blade of the wind turbine systems. Dynamic loads characteristics are analyzed and compared using aerodynamic data of ten airfoils including the proposed airfoil. The blade is divided into the sixteen elements in the longitudinal direction of the blade for applying the Blade Element Method Theory (BEMT) method, and in each element, torque, thrust, and pitching moment are calculated using turbulent time varying wind speed and aerodynamic data of each wing. Additionally, each force and torque is accumulated in the whole region of the blade for the estimation of representative values. The magnitude of such forces is comparatively analyzed for different airfoils. The angle of attack is constant below the rated wind speed due to the fact that the tip speed ratio is kept at the constant value, and it increases in the region of over rated wind speed as the tip speed ratio decreasing with constant rated rpm and increasing wind speed. Such increase in the angle of attack causes the changes of the force acting on the airfoil with different characteristics of lift and drag in the stall region of each different airfoil. Even though the mean wind speed is in the rated speed in a given time, because of the turbulence, it has either the over rated or under rated speed most of the time. Furthermore, the dynamic properties of each force are analyzed in this rated wind speed in order to objectively understand the dynamic properties of the blades which are designed based on the different airfoils. These dynamic properties are also compared by the standard deviation of time varying characteristics. Moreover, the output characteristics of the wind turbine are investigated with different airfoils and wind speeds. Based on these investigations, it was revealed that the proposed airfoil (KA2) is well applicable to the blade with passive pitch control system.
Shape optimization of airfoil in WIG craft has been performed by considering the ground effect. The WIG craft should satisfy various aerodynamic characteristics such as lift, lift to drag ratio, and static height stability. However, they show a strong trade-off phenomenon so that it is difficult to satisfy aerodynamic properties simultaneously. Optimization is carried out through the multi-objective genetic algorithm. A multi-objective optimization means that each objective is considered separately instead of weighting. Due to the trade-off, pareto sets and non-dominated solutions can be obtained instead of the unique solution. NACA0015 airfoil is considered as a baseline model, shapes of airfoil are parameterized and rebuilt with four-Bezier curves. There are eighteen design variables and three objective functions. The range of design variables and their resolutions are two primary keys for the successful optimization. By two preliminary optimizations, the variation can be reduced effectively. After thirty evolutions, the non-dominated pareto individuals of twenty seven are obtained. Pareto sets are all the set of possible and excellent solution across the design space. At any selections of the pareto set, these are no better solutions in all design space.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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