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 airloads 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 interaction. 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 NRELand SNU wind tunnel model. A comparison with NREL and SNU data shows validity and effectiveness of devised FVE free wake model and an efficient.
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.
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.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.1
no.1
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pp.1-12
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2000
The wake geometries of a two-bladed rotor in axial flights using a time-marching free-wake method without a non-physical model of the far wake are calculated. The computed free-wake geometries of AH-1G model rotor in climb flight are compared with the experimental visualization results. The time-marching free-wake method can predict the behavior of the tip vortex and the wake roil-up phenomena with remarkable agreements. Tip vortices shed from the two-bladed rotor can interact with each other significantly. The interaction consists of a turn of the tip vortex from one blade rolling around the tip vortex from the other. Wake expansion of wake geometries in radial direction after the contraction is a result of adjacent tip vortices begging to pair together and spiral about each other. Detailed numerical results show regular pairing phenomenon in the climb flights, the hover at high angle of attack and slow descent flight too. On the contrary, unstable motions of wake are observed numerically in the hover at low angle of attack and fast descent flight. It is because of the inherent wake instability and blade-vortex-interaction rather then the effect of recirculation due to the experimental equipment.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.35
no.11
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pp.957-963
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2007
this study, helicopter rotor flow is simulated by using a tightly coupled CFD/FreeWake method to describe wake characteristics and to calculate the flow field and rotor aerodynamics. In this tightly coupled CFD/FreeWake method, freewake model provides the boundary condition required in the CFD calculation and CFD provides the pressure distribution on blade surface used in feewake generation. To show the advantage of this method, the pressure distributions on blade surface of a hovering 2-bladed rotor are compared with other numerical methods. This tightly coupled CFD/FreeWake method shows good accuracy in the predicted results and efficient computation time.
In this study the unsteady aerodynamic analysis of a hovering helicopter rotor is performed. For the accurate flow field analysis Euler equations and the free wake method are coupled. The Euler equations are solved to find the pressure distribution around the rotor, and free wake method is used to give the boundary condition for the solution of Euler equations. Also, vortex strength and wake motion after the rotor are simulated by the free wake method. The accuracy of the present method is compared with the source sink model. The present method is applied to the hovering Caradonna-Tung rotor and compared with experimental results.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.10
no.2
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pp.23-33
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2009
The inherent aeromechanical complexity of a rotor system necessitated the comprehensive analysis code for helicopter rotor system. In the present study, an aerodynamic analysis module has been developed as a part of rotorcraft comprehensive program. Aerodynamic analysis module is largely classified into airload calculation routine and inflow analysis routine. For airload calculation, quasi-steady analysis model is employed based on the blade element method with the correction of unsteady aerodynamic effects. In order to take unsteady effects - body motion effects and dynamic stall - into account, aerodynamic coefficients are corrected by considering Leishman-Beddoes's unsteady model. Various inflow models and vortex wake models are implemented in the aerodynamic module to consider wake induced inflow. Specifically, linear inflow, dynamic inflow, prescribed wake and free wake model are integrated into the present module. The aerodynamic characteristics of each method are compared and validated against available experimental data such as Elliot's induced inflow distribution and sectional normal force coefficients of AH-1G. In order to validate unsteady aerodynamic model, 2-D unsteady model for NACA0012 airfoil is validated against aerodynamic coefficients of McAlister's experimental data.
In this paper, a free wake analysis based on the curved vortex element and CVC wake model is used to predict the aerodynamic performance and noise for HAWT. Also for prediction of RPM, a maximum value through a quadratic regression was suggested. And for a noise prediction, the broadband noise prediction method based on experimental equation was used. The curved vortex element uses a BCVE and an SIVE instead of a straight vertex element. In the CVC wake model, the vortex strengths are assumed to be constant along a span and a vortex filament. The free wake structure made by the curved vortex element and CVC was substituted for a vortex lattice, so it has an advantage for the less calculation time and a depiction of accurate wake structure. For the verification of this program, calculated results are compared with Mr. Kim's experiment model and Zond Z-40FS for performance and with WTS-4 and USWP models for noise. Good agreements are obtained between the predicted and the measured data for the performance and far-field noise spectra.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.5
no.2
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pp.62-70
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2004
CFD method has been coupled with a time-marching free-wake model by usingfield velocity approach suggested by J. D. Baeder (Ref. 1). The coupled method hasbeen applied to rectangular and BERP-like blades and the calculated perfonnance dataare compared with the experimental results.For hovering analysis, the present method could yield sufficiently good resultswith reasonable computation time and is particularly suitable for the flow fieldanalysis with the complex shaped blade.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.37
no.3
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pp.224-231
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2009
In this study, an aerodynamic performance analysis code has been developed as a part of rotorcraft comprehensive program. Airloads on rotor blades are calculated based on the blade element theory with look-up tables of aerodynamic coefficients of 2-D airfoils. In order to calculate rotor induced inflow, various inflow prediction methods such as linear inflow, dynamic inflow, prescribed wake and free wake model are integrated into the present module. The aerodynamic characteristics of each method are compared and validated against available experimental data such as Elliot's inflow distribution and sectional normal force coefficients of AH-1G.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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