A model is proposed to analyse the along-wind dynamic response of upwind turbines with horizontal axis under service wind conditions. The model takes into account the dynamic coupling effect between rotor blades and supporting tower. The wind speed field is decomposed into a mean component, accounting for the well-known wind shear effect, and a fluctuating component, treated through a spectral approach. Accordingly, the so-called rotationally sampled spectra are introduced for the blades to account for the effect of their rotating motion. Wind forces acting on the rotor blades are calculated according to the blade element momentum model. The tower shadow effect is also included in the present model. Two examples of a large and medium size wind turbines are modelled, and their dynamic response is analysed and compared with the results of a conventional static analysis.
This article presents a study of the largest-ever (height = 220 m) cooling tower using the large eddy simulation (LES) method. Information about fluid fields around the tower and 3D aerodynamic time history in full construction process were obtained, and the wind pressure distribution along the entire tower predicted by the developed model was compared with standard curves and measured curves to validate the effectiveness of the simulating method. Based on that, average wind pressure distribution and characteristics of fluid fields in the construction process of ultra-large cooling tower were investigated. The characteristics of fluid fields in full construction process and their working principles were investigated based on wind speeds and vorticities under different construction conditions. Then, time domain characteristics of ultra-large cooling towers in full construction process, including fluctuating wind loads, extreme wind loads, lift and drag coefficients, and relationship of measuring points, were studied and fitting formula of extreme wind load as a function of height was developed based on the nonlinear least square method. Additionally, the frequency domain characteristics of wind loads on the constructing tower, including wind pressure power spectrum at typical measuring points, lift and drag power spectrum, circumferential correlations between typical measuring points, and vertical correlations of lift coefficient and drag coefficient, were analyzed. The results revealed that the random characteristics of fluctuating wind loads, as well as corresponding extreme wind pressure and power spectra curves, varied significantly and in real time with the height of the constructing tower. This study provides references for design of wind loads during construction period of ultra-large cooling towers.
To gain insight into the wind-induced safety concerns associated with attached tower cranes during the construction of super-tall buildings, a 606 m level frame-core tube super-tall building is selected to investigate the wind-induced vibration response and fragility of an outer-attached tower crane at all stages of construction. The wind velocity time history samples are artificially generated and used to perform dynamic response analyses of the crane to observe the effects of wind velocity and wind direction under its working and non-working resting state. The adverse effects of the relative displacement response at different connection supports are also identified. The wind-resistant fragility curves of the crane are obtained by introducing the concept of incremental dynamic analysis. The results from the investigation indicate that a large relative displacement between the supports can substantially amplify the response of the crane at high levels. Such an effect becomes more serious when the lifting arm is perpendicular to the plane of the connection supports. The flexibility of super-tall buildings should be considered in the design of outer-attached tower cranes, especially for anchorage systems. Fragility analysis can be used to specify the maximum appropriate height of the tower crane for each performance level.
Internal ring beams are primary components of new ring-stiffened cooling towers. In this study, numerical simulation of the internal flow field of a cooling tower with three ring beams under wind-thermal coupling effect is performed. The studied cooling tower is a 220-m super-large hyperbolic indirect natural draft cooling tower that is under construction in China and will be the World's highest cooling tower, the influence of peripheral radiators in operating cooling tower is also considered. Based on the simulation, the three-dimensional effect and distribution pattern of the wind loads on inner surface of the cooling tower is summarized, the average wind pressure distributions on the inner surface before and after the addition of the ring beams are analyzed, and the influence pattern of ring beams on the internal pressure coefficient value is derived. The action mechanisms behind the air flows inside the tower are compared. In addition, the effects of internal ring beams on temperature field characteristics, turbulence kinetic energy distribution, and wind resistance are analyzed. Finally, the internal pressure coefficients are suggested for ring-stiffened cooling towers under wind-thermal coupling effect. The study shows that the influence of internal stiffening ring beams on the internal pressure and flow of cooling towers should not be ignored, and the wind-thermal coupling effect should also be considered in the numerical simulation of cooling tower flow fields. The primary conclusions presented in this paper offer references for determining the internal suction of such ring-stiffened cooling towers.
This paper deals with the NREL (National Renewable Energy Laboratory) 5-MW reference wind turbine. The controller which include MPPT (Maximum power point tracking) control algorithm and tower load reduction control algorithm was designed by MATLAB Simulink. This paper propose a tower damper algorithm to improve the existing tower damper algorithm. To improve the existing tower damper algorithm, proposed tower damper algorithm were applied the thrust sensitivity scheduling and PI control method. The thrust sensitivity scheduling was calculated by thrust force formula which include thrust coefficient table. Power and Tower root moment DEL (Damage Equivalent Load) was set as a performance index to verify the load reduction algorithm. The simulation were performed 600 seconds under the wind conditions of the NTM (Normal Turbulence Model), TI (Turbulence Intensity)16% and 12~25m/s average wind speed. The effect of the proposed tower damper algorithm is confirmed through PSD (Power Spectral Density). The proposed tower damper algorithm reduces the fore-aft moment DEL of the tower up to 6% than the existing tower damper algorithm.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.16
no.4
s.109
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pp.420-427
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2006
In this study, wind loads transmitted to a transmission tower from transmission lines are mitigated using rotational viscoelastic dampers. First, the wind load characteristics in a transmission tower is investigated considering the effect of the transmission lines through stochastic analysis. The assemblage of the transmission line and insulator are modeled as a double pendulum system connected to the SDOF model of the tower. From the result of the stochastic analysis, the background component of the overturing moment caused by the wind loads acting on the transmission lines are found to have considerable portion in the total overturning moment. Based on this observation result, a strategy Installing rotational viscoelastic damper (VED) between tower arm and transmission line is proposed for the mitigation of the transmission line reactions, which play a role as dynamic loads on a transmission tower. For the purpose of verification, time history analysis is conducted for different wind velocities and VED parameters. The analysis result shows that the rotational VED is effective for the mitigation of the background component rather than the resonance component of the transmission line reactions and achieves the reduction ratio of 50% even for higher wind speed.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2009.04a
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pp.49-59
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2009
Vibrations of the tower structures of 750kW and 6kW wind turbines(WT) are investigated by measurement and analysis. Acceleration responses of the WT towers under various operation condition are monitored in real time by the remote monitoring system using LabVIEW. Using the monitoring system, resonance condition of the tower structures is diagnosed with the wind speed data within the operating speed range. To predict the tower resonance frequency, 750 kW tower is modeled as an equivalent beam with a lumped mass and Rayleigh energy method is applied. For 6 kW WT, Rayleigh-Ritz analysis is carried out on the tower-cable coupled system. Calculated tower bending frequency is in good agreement with the measured value. Using the analysis model, parametric study is available in order to prevent the severe resonance.
It is well known that cylinder steel stacks are heavily impacted by vortex-induced vibration. However, the wind-induced vibration behaviors of tower-supported steel stacks are not clarified due to a lack of observation. We studied a stack's response to strong winds over a long period of time by observing the extreme wind-induced vibration of a 200 m-high tower-supported steel stack. This experiment aimed to identify the wind-induced vibration properties of a tower-supported steel stack and assess the validity of the vibration control method used in the experiment. Results revealed a trend in wind-induced vibration behavior. In turn, an effective measure for controlling such vibration was defined by means of increasing the structural damping ratio due to the effects of the tuned mass damper to dramatically decrease the vortex-induced vibration of the stack.
Wind loading is one of important loadings that should be considered in the design of large hyperbolic natural-draught cooling towers. Both external and internal surfaces of cooling tower are under the action of wind loading for cooling circulating water. In the previous studies, the wind loads on the external surface attracted concernedly attention, while the study on the internal surface was relatively ware. In the present study, the wind pressure on the internal surface of a 220 m high cooling tower is measured through wind tunnel testing, and the effect of ventilation rate of the packing layer on internal pressure is a major concern. The characteristics of internal wind pressure distribution and its effect on wind-induced responses calculated by finite element method are investigated. The results indicate that the wind loading on internal surface of the cooling tower behaves remarkable three-dimensional effect, and the pressure coefficient varies along both of height and circumferential directions. The non-uniformity is particularly strong during the construction stage. Analysis results of the effect of internal pressure on wind-induced responses show that the size and distribution characteristics of internal pressure will have some influence on wind-induced response, however, the outer pressure plays a dominant role in the wind-induced response of cooling tower, and the contribution of internal pressure to the response is small.
The 246.8-m-tall Beijing Olympic Tower (BOT) is a new landmark in Beijing City, China. Its unique architectural style with five sub-towers and a large tower crown gives rise to complex dynamic characteristics. Thus, it is wind-sensitive, and a double-stage pendulum tuned mass damper (DPTMD) has been installed for vibration mitigation. In this study, a finite-element analysis of the wind-induced responses of the tower based on full-scale measurement results was performed. First, the structure of the BOT and the full-scale measurement are introduced. According to the measured dynamic characteristics of the BOT, such as the natural frequencies, modal shapes, and damping ratios, an accurate finite-element model (FEM) was established and updated. On the basis of wind measurements, as well as wind-tunnel test results, the wind load on the model was calculated. Then, the wind-induced responses of the BOT with the DPTMD were obtained and compared with the measured responses to assess the numerical wind-induced response analysis method. Finally, the wind-induced serviceability of the BOT was evaluated according to the field measurement results for the wind-induced response and was found to be satisfactory for human comfort.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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