Aboshosha, Haitham;Mara, Thomas G.;Izukawa, Nicole
Wind and Structures
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제31권2호
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pp.85-102
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2020
Accurate load evaluation is essential in any performance-based design. Design wind speeds and associated wind loads are well defined for synoptic boundary layer winds but not for thunderstorms. The method presented in the current study represents a new approach to obtain design wind speeds associated with thunderstorms and their gust fronts using historical data and Monte Carlo simulations. The method consists of the following steps (i) developing a numerical model for thunderstorm downdrafts (i.e. downbursts) to account for storm translation and outflow dissipation, (ii) utilizing the model to characterize previous events and (iii) extrapolating the limited wind speed data to cover life-span of structures. The numerical model relies on a previously generated CFD wind field, which is validated using six documented thunderstorm events. The model suggests that 10 parameters are required to describe the characteristics of an event. The model is then utilized to analyze wind records obtained at Lubbock Preston Smith International Airport (KLBB) meteorological station to identify the thunderstorm parameters for this location, obtain their probability distributions, and utilized in the Monte Carlo simulation of thunderstorm gust front events for many thousands of years for the purpose of estimating design wind speeds. The analysis suggests a potential underestimation of design wind speeds when neglecting thunderstorm gust fronts, which is common practice in analyzing historical wind records. When compared to the design wind speed for a 700-year MRI in ASCE 7-10 and ASCE 7-16, the estimated wind speeds from the simulation were 10% and 11.5% higher, respectively.
A numerical simulation for 11 February 1996 has been done to grasp main mechanisms of the occurrence of strong downslope winds near Gangnung area. The simulation performed by using ARPS (Advanced Regional Prediction System) showed that enhanced surface winds were not related with a reflection of vertically propagating gravity waves. Froude numbers were about 1.0, 0.4 and 0.6 for the atmosphere above Daekwanryoung and above a place located 220km upstream, and above another place located 230km downstream from the Taebak mountains, respectively. This suggested that as a subcritical flow ascended the upslope side of the Taebak mountains, Froude numbers would tend to increase according to the increase in wind speed, and near the crest the flow would become supercritical and continue to accelerate as it went down the downslope side until it was adapted back to the ambient subcritical conditions in a turbulent hydraulic jump. Simulated Froude numbers corroborated the hydraulic jump nature of the strong downslope wind. In addition, the inversion was found near the mountain top height upstream of the mountains, and it was favorable for the occurrence of strong downslope winds.
This research investigates the adaptive input estimation method applied to the multilayer shearing stress structure. This method is to estimate the values of wind load inputs by analyzing the active reaction of the system. The Kalman filter without the input term and the adaptive weighted recursive least square estimator are two main portions of this method. The innovation vector can be produced by the Kalman filter, and be applied to the adaptive weighted recursive least square estimator to estimate the wind load input over time. This combined method can effectively estimate the wind loads to the structure system to enhance the reliability of the system active performance analysis. The forms of the simulated inputs (loads) in this paper include the periodic sinusoidal wave, the decaying exponent, the random combination of the sinusoidal wave and the decaying exponent, etc. The active reaction computed plus the simulation error is regard as the simulated measurement and is applied to the input estimation algorithm to implement the numerical simulation of the inverse input estimation process. The availability and the precision of the input estimation method proposed in this research can be verified by comparing the actual value and the one obtained by numerical simulation.
The effect of seasonal wind on the tidal circulation in Jeju harbor was examined by using a numerical shallow water model. A finite element for analyzing shallow water flow is presented. The Galerkin method is employed for spatial discretization. Two step explicit finite element scheme is used to discretize the time function, which has advantage in problems treating large numbers of elements and unsteady state. The numerical simulation is compared with three cases; Case 1 does not consider the effect of wind, Case 2 and Case 3 consider the effect of summer and winter seasonal wind, respectively. According to result considering effect of seasonal wind, velocity of current vector shows slightly stronger than that of case 1 in the flow field. It can be concluded that the present method is a useful and effective tool in tidal current analysis.
An analysis of wind environments using computational fluid dynamics and an evaluation of wind resources using measurement data obtained from meteorological observation sites at Homi-Cape, Pohang have been carrid out for siting a wind farm. It was shown that a numerical simulation using computational fluid dynamics would provide reliable wind resource map in complex terrain with land-sea breeze condition. As a result of this investigation, Homi-Cape wind farm with 11.25 ㎿ capacity has been designed for maximum power generation and 25.7 GWh electricity production is predicted.
The objective of this study is to develop numerical simulation model for analysing the wind speed reduction effect by coastal forest belts. The horizontally homogeneous turbulent flow equations, which are derived from the Reynolds-averaged Navier-Stokes method, both above the tree canopy and within the canopy were first formulated, and a first-order closure scheme with the capability of accounting the bulk momentum transport term within the canopy was employed. The averaged equations were solved numerically by finite difference method, FTCS (forward time centered space) scheme. The proposed model was also used to numerically investigate the effects of structural characteristic of forest belt on the wind speed. The effects of maximum leaf area density were evaluated, with the leaf area density of $1.0m^2/m^3$, $2.0m^2/m^3$, $3.0m^2/m^3$, and $4.0m^2/m^3$. Vertical distributions of leaf area, both uniform and varied distribution with a height, were also considered. A comparison of wind profile indicated that there was in good agreements between simulated and measured wind speed. Also, the results showed horizontal wind speed decreased under a height of the tree with increasing maximum leaf area density. In conclusion, in applications where computational efficiency and simplicity are desirable, the proposed numerical model has of great capability to determine the vertical turbulent momentum transport and wind profile in the costal forest belt.
Da Li;Ikjae Lee;Cong Yi;Wei Gao;Chunhui Song;Shenglei Fu;Moohyun Kim;Alex Ran;Tuanjie Liu
Ocean Systems Engineering
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제13권3호
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pp.287-312
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2023
The global performance of a 15 MW floating offshore wind turbine, a newly designed semisubmersible floating foundation with multiple heave plates by CNOOC, is investigated with two independent turbine-floater-mooring coupled dynamic analysis programs CHARM3D-FAST and OrcaFlex. The semisubmersible platform hosts IEA 15 MW reference wind turbine modulated for VolturnUS-S and hybrid type (chain-wire-chain with clumps) 3×2 mooring lines targeting the water depth of 100 m. The numerical free-decay simulation results are compared with physical experiments with 1:64 scaled model in 3D wave basin, from which appropriate drag coefficients for heave plates were estimated. The tuned numerical simulation tools were then used for the feasibility and global performance analysis of the FOWT considering the 50-yr-storm condition and maximum operational condition. The effect of tower flexibility was investigated by comparing tower-base fore-aft bending moment and nacelle translational accelerations. It is found that the tower-base bending moment and nacelle accelerations can be appreciably increased due to the tower flexibility.
Wind tunnel pressure measurements and numerical simulations based on the Reynolds Stress Model (RSM) are compared with full and model scale data in the flow area of impingement, separation and wake for $60^{\circ}$ and $90^{\circ}$ wind azimuth angles. The phase averaged fluctuating pressures simulated by the RSM model are combined with modelling of the small scale, random pressure field to produce the total, instantaneous pressures. Time averaged, rsm and peak pressure coefficients are consequently calculated. This numerical approach predicts slightly better the pressure field on the roof of the TTU (Texas Tech University) building when compared to the wind tunnel experimental results. However, it shows a deviation from both experimental data sets in the impingement and wake regions. The limitations of the RSM model in resolving the intermittent flow field associated with the corner vortex formation are discussed. Also, correlations between the largest roof suctions and the corner vortex "switching phenomena" are observed. It is inferred that the intermittency and short duration of this vortex switching might be related to both the wind tunnel and numerical simulation under-prediction of the peak roof suctions for oblique wind directions.
Cheng, Xue-Ling;Li, Jun;Hu, Fei;Xu, Jingjing;Zhu, Rong
Wind and Structures
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제20권1호
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pp.59-74
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2015
A coupled model system for Wind Resource Assessment (WRA) was studied. Using a mesoscale meteorological model, the Weather Research and Forecasting (WRF) model, global-scale data were downscaled to the inner nested grid scale (typically a few kilometers), and then through the coupling Computational Fluid Dynamics (CFD) mode, FLUENT. High-resolution results (50 m in the horizontal direction; 10 m in the vertical direction below 150 m) of the wind speed distribution data and ultimately refined wind farm information, were obtained. The refined WRF/FLUENT system was then applied to assess the wind resource over complex terrain in the northern Poyang Lake region. The results showed that the approach is viable for the assessment of wind energy.
The effects of BPC (blade pitch control) on FOWT (floating offshore wind turbine) motions and generated power are investigated by using a fully-coupled turbine-floater-mooring simulation program. In this regard, two example FOWTs, OC4-5MW semi-submersible FOWT and KRISO four-3MW-units FOWT, are selected since the numerical simulations of those two FOWTs have been verified against experiments in authors' previous studies. Various simulations are performed changing BPC natural frequency (BPCNF), BPC damping ratio (BPCDR), and wind speeds. Through the numerical simulations, it was demonstrated that negative damping can happen for platform pitch motions and its influences are affected by BPCNF, BPCDR, and wind speeds. If BPCNF is significantly larger than platform-pitch natural frequency, the pitch resonance can be very serious due to the BPC-induced negative-damping effects, which should be avoided in the FOWT design. If wind speed is significantly higher than the rated wind velocity, the negative damping effects start to become reduced. Other important findings are also given through systematic sensitivity investigations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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