• Wind and Structures
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• 제27권6호
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• pp.381-397
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• 2018

Nonlinear behavior in fluid-structure interaction (FSI) of bridge decks becomes increasingly significant for modern bridges with increasing spans, larger flexibility and new aerodynamic deck configurations. Better understanding of the nonlinear aeroelasticity of bridge decks and further development of reduced-order nonlinear models for the aeroelastic forces become necessary. In this paper, the amplitude-dependent and neutral angle dependent nonlinearities of the motion-induced loads are further highlighted by series of computational fluid dynamics (CFD) simulations. An effort has been made to investigate a semi-analytical time-domain model of the nonlinear motion induced loads on the deck, which enables nonlinear time domain simulations of the aeroelastic responses of the bridge deck. First, the computational schemes used here are validated through theoretically well-known cases. Then, static aerodynamic coefficients of the Great Belt East Bridge (GBEB) cross section are evaluated at various angles of attack, leading to the so-called nonlinear backbone curves. Flutter derivatives of the bridge are identified by CFD simulations using forced harmonic motion of the cross-section with various frequencies. By varying the amplitude of the forced motion, it is observed that the identified flutter derivatives are amplitude-dependent, especially for $A^*_2$ and $H^*_2$ parameters. Another nonlinear feature is observed from the change of hysteresis loop (between angle of attack and lift/moment) when the neutral angles of the cross-section are changed. Based on the CFD results, a semi-analytical time-domain model for describing the nonlinear motion-induced loads is proposed and calibrated. This model is based on accounting for the delay effect with respect to the nonlinear backbone curve and is established in the state-space form. Reasonable agreement between the results from the semi-analytical model and CFD demonstrates the potential application of the proposed model for nonlinear aeroelastic analysis of bridge decks.

• Wind and Structures
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• 제29권1호
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• pp.75-84
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• 2019

A steady slot suction near the free-end leading edge of a finite-length square cylinder was used to control its aerodynamic forces and vortex-induced vibration (VIV). The freestream oncoming flow velocity ($U_{\infty}$) was from 3.8 m/s to 12.8 m/s. The width of the tested cylinder d = 40 mm and aspect ratio H/d = 5, where H was the height of the cylinder. The corresponding Reynolds number was from 10,400 to 35,000. The tested suction ratio Q, defined as the ratio of suction velocity ($U_s$) at the slot over the oncoming flow velocity at which the strongest VIV occurs ($U_{\nu}$), ranged from 0 to 3. It was found that the free-end slot suction can effectively attenuate the VIV of a cantilevered square cylinder. In the experiments, the RMS value of the VIV amplitude reduced quickly with Q increasing from 0 to 1, then kept approximately constant for $Q{\geq}1$. The maximum reduction of the VIV occurs at Q = 1, with the vibration amplitude reduced by 92%, relative to the uncontrolled case. Moreover, the overall fluctuation lift of the finite-length square cylinder was also suppressed with the maximum reduction of 87%, which occurred at Q = 1. It was interesting to discover that the free-end shear flow was sensitive to the slot suction near the leading edge. The turbulent kinetic energy (TKE) of the flow over the free end was the highest at Q = 1, which may result in the strongest mixing between the high momentum free-end shear flow and the near wake.

• 한국항공우주학회지
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• 제43권9호
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• pp.765-772
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• 2015

칼새 비행의 생체모방 초소형 비행체 적용 가능성을 확인하기 위한 공력측정과 위상동기 PIV 연구가 수행되었다. 2축 회전자유도의 로봇 날개 모델과 불어내기식 풍동을 사용하였다. 비틀림 각은 ${\pm}0$, ${\pm}5$, ${\pm}10$, ${\pm}20$도의 진폭을 갖고, 스트로크각은 90도의 위상차를 갖는 단순조화함수로 변화시켰다. 비틀림 각에 따른 시간에 대한 양력계수 변화는 작은 공력감소와 지연만을 나타내며 주목할 만한 차이를 보이지 않았다. 그러나 항력은 작은 비틀림 각 변화가 큰추력을 생성할 수 있음을 보여주었다. 이러한 것들은 칼새가 비행 중에 작은 비틀림 각을 사용하는 이유를 간접적으로 설명해 준다. PIV연구 결과는 공력지연이 날개주위의 와류구조와 밀접한 관계있다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 칼새 모방형 초소형비행체 설계에 있어 비틀림 각은 필수적인 파라미터로서 반드시 고려되어야 함을 의미한다.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제18권6호
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• pp.63-70
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• 2015

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.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제33권2호
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• pp.95-101
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• 2020

풍력터빈 블레이드는 바람의 운동에너지를 축일로 변환하는 장치로서 상대적으로 고속 회전하면서 양력과 항력의 다양한 하중 조합과 진동에 견딜 수 있도록 내구 강도가 큰 경량의 재료를 선택하여 강성을 증가시키는 구조를 갖도록 설계되어야 한다. 본 연구는 CFRP 프리프레그를 사용하여 소형 풍력 블레이드를 제작하는 경우 공정 시간을 단축하는 기술을 개발하려는 목적으로 수행되었다. QBlade 수치해석 프로그램을 사용하여 블레이드의 형상을 결정하였다. 주어진 풍속에서 바람에 의해 부가되는 양력과 항력을 계산하는 유체역학 수치해석을 수행하고, 대표적인 블레이드 구조에 대해 블레이드 외피 재료에 가해지는 폰미세스 응력을 예측하는 재료역학 수치해석을 수행하였다. 인장 강도 시험의 불확실도를 개선하기 위해 ASTM D638 규정을 수정하여 새로운 시편의 형상을 제안하였고, 기존 형상의 인장 강도와 유사한 평균값을 얻되 파단 위치의 재현성이 향상됨을 확인하였다. 일련의 실험을 통해 소형 풍력블레이드의 제작에 블래더 가압 방식을 적용하면 충분한 내구 강도를 확보하면서 공정시간을 단축할 수 있음을 확인하였다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제17권4호통권77호
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• pp.499-509
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• 2005

강풍으로 유발되는 고층건축물의 풍진동은 주로 와류에 의한 풍직각방향의 진동에 의하여 발생한다. 이러한 진동은 단면형상이 일정한 유연하고, 경량이며, 경감쇠인 고층건축물인 경우 가장 심하게 발생한다. 본 논문은 와류에 기인한 풍직각방향의 진동을 저감시키기 위한 공역학적인 방법을 논한 것이다. 항력 및 횡력방향의 압력을 균등화하고 또한 양방향의 공간적인 간섭을 분산시키고, 풍직각 방향으로 작용하는 풍력의 크기를 효율적으로 감소시키기 위하여 건축물의 풍방향 및 풍직각방향에 중공부를 설치하였다. 실험모형은 모두 형상비가 8:1이 되도록 하였고, 중공부의 형상은 2종류, 크기는 2종류, 위치는 6종류로 변화시킨 총 24종류의 모형을 제작하여 풍력실험을 실시한 후 각 모형에 대한 풍방향 및 풍직각방향의 변위응답특성을 조사하였다. 최종적으로 중공부를 가진 모형의 효율성을 분석하기 위하여 중공부를 가진 모형에 대한 결과를 중공부가 없는 정사각형 각주의 변위응답 특성과 비교 분석하여 중공부의 형상 변화, 크기 변화, 위치 변화에 따른 풍진동의 저감효과의 정도를 정량적으로 규명하였다.