More FOWTs (floating offshore wind turbines) will be installed as relevant regulations and technological hurdles are removed in the coming years. In the present study, a numerical prediction tool has been developed for the fully coupled dynamic analysis of FOWTs in time domain including aero-loading, tower elasticity, blade-rotor dynamics and control, mooring dynamics, and platform motions so that the influence of rotor-control dynamics on the hull-mooring performance and vice versa can be assessed. The developed coupled analysis program is applied to Hywind spar design with 5 MW turbine. In case of spar-type floaters, the control strategy significantly influences the hull and mooring dynamics. If one of the control systems fails, the entire dynamic responses of FOWT can be significantly different. Therefore, it is important to maintain various control systems in a good operational condition. In this regard, the effects of failed blade pitch control system on FOWT performance including structural and dynamic responses of blades, tower, and floater are systematically investigated. Through this study, it is seen that the failure of one of the blade pitch control system can induce significant dynamic loadings on the other blades and the entire FOWT system. The developed technology and numerical tool are readily applicable to any types of floating wind farms in any combinations of irregular waves, dynamic winds, and steady currents.
Kim, Yu-Sung;Kim, Dong-Hyun;Kim, Yo-Han;Park, Oung
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.8
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pp.764-772
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2009
In this study, fluid/structure coupled analyses have been conducted for 3-D stator and rotor configuration. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics(CFD) and computational structural dynamics(CSD) has been developed in order to investigate fluid/structure responses of general stator-rotor configurations. To solve the fluid/structure coupled problems, fluid domains are modeled using the structural grid system with dynamic moving and local deforming techniques. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with Spalart-Allmaras(S-A) and SST ${\kappa}-{\omega}$ turbulence models are solved for unsteady flow problems. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3-D turbine blades for fluid-structure interaction(FSI) problems. Detailed fluid/structure analysis responses for stator-rotor interaction flow conditions are presented to show the physical performance and flow characteristics.
Kim, Yu-Sung;Kim, Dong-Hyun;Kim, Yo-Han;Park, Oung
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2008.11a
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pp.563-569
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2008
In this study, fluid/structure coupled analyses have been conducted f3r 3-D stator and rotor configuration. Advanced computational analysis system based on computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD) has been developed in order to investigate fluid/structure responses of general stator-rotor configurations. To solve the fluid/structure coupled problems, fluid domains are modeled using the structural grid system with dynamic moving and local deforming techniques. Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with Spalart-Allmaras (S-A) and SST ${\kappa}-{\omega}$ turbulence models are solved for unsteady flow problems. A fully implicit time marching scheme based on the Newmark direct integration method is used for computing the coupled aeroelastic governing equations of the 3-D turbine blades for fluid-structure interaction (FSI) problems. Detailed fluid/structure analysis responses for stator-rotor interaction flow conditions are presented to show the physical performance and flow characteristics.
International Journal of Fluid Machinery and Systems
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v.7
no.1
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pp.16-27
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2014
Double-blade vertical axis wind turbines (DB-VAWTs) can improve the self-starting performance of lift-driven VAWTs. We here propose the quadruple-multiple streamtube model (QMS), based on the blade element momentum (BEM) theory, for simulating DB-VAWT performance. Model validity is investigated by comparison to computational fluid dynamics (CFD) prediction for two kinds of two-dimensional DB-VAWT rotors for two rotor scales with three inner-outer radius ratios: 0.25, 0.5, and 0.75. The BEM-QMS model does not consider the effects of an inner rotor on the flow speed in the upwind half of the rotor, so we introduce a correction factor for this flow speed. The maximum power coefficient predicted by the modified BEM-QMS model for a DB-VAWT is thus closer to the CFD prediction.
Xing-Chao Shen;Yuan Fu;Jian-Yu Zhang;Jin Yang;Zhi-Jun Li
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.9
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pp.3730-3739
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2024
The high-temperature molten salt pump is the core equipment in the small modular molten salt reactor with media temperatures up to 700 ℃. The cantilever ratio of the molten salt pump is usually large. Excessively large cantilever ratios cause increased deformations and rotational amplitudes at the impeller, thus affecting the operational stability of the main pump; small cantilever ratios cause heavy temperature gradients, thus affecting the structural integrity evaluation. This paper used numerical simulation methods to calculate and analyze the temperature field, stress, and structural integrity, optimized the pump shaft cantilever length of the original scheme based on structural integrity using the dichotomy method, and analyzed the rotor dynamics of the optimization results. The results of this study show that the thermal expansion load caused by the temperature difference has a significant mechanical effect on the structure; the first-order critical speed of the rotor system of the optimized schemes has been improved, and the amplitude of the unbalanced response has been significantly reduced, which not only improves the operational stability of the rotor, also contributes to the compact design of the main pump of a small modular molten salt reactor.
This paper presents a numerical model for investigating the structural dynamic response of an unbalanced rotor system supported on deep groove ball bearings. The aim of this work is to develop a numerical model for investigating the effect of the number of balls on the dynamic characteristics of the rotor ball bearing system. The fourth-order Runge-Kutta numerical integration technique has been applied. The results are presented in the form of time displacement responses and frequency spectra. The analysis demonstrates that the model can be used as a tool for predicting the nonlinear dynamic behavior of the rotor ball bearing system under different operating conditions. Moreover, the study may contribute to a further understanding of the nonlinear dynamics of rotor bearing systems.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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v.16
no.1
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pp.110-122
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2015
In this paper, the unsteady aerodynamics and blade structural dynamics of an experimental bearingless rotor were analyzed. Due to the multiple load path and nonlinear behavior of a bearingless rotor, sophisticated structural modeling and structural-aerodynamic coupled analysis is required. To predict the internal load and deformation of an experimental bearingless rotor, trim analysis was implemented. The results showed good agreement when compared with those predicted by CAMRAD II the rotorcraft comprehensive analysis. It is possible to extend the present structural-aerodynamic combined analysis to further advanced configurations of the bearingless rotor in the future.
Sengupta, Anal Ranjan;Biswas, Agnimitra;Gupta, Rajat
Wind and Structures
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v.33
no.6
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pp.471-480
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2021
This present paper leads to investigation of blade-fluid interactions of cambered blade H-Darrieus rotor having EN0005 airfoil blades using comprehensive Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis to understand its performance in low wind streams. For several blade azimuthal angle positions, the effects of three different low wind speeds are studied regarding their influence on the blade-fluid interactions of the EN0005 blade rotor. In the prevailing studies by various researchers, such CFD analysis of H-Darrieus rotors are very less, hence it is needed to improve their steady-state performance in low wind velocities. Such a study is also important to obtain important performance insights of such thin cambered blade rotor in its complete rotational cycle. It has been seen that the vortex generated at the suction side of the EN0005 blade rolls back to its leading edge due to the camber of the blade and thus a peak velocity occurs near to the nose position of this blade at its leading edge, which leads to peak performance of this rotor. Again, in the returning phase of the blade, a secondary recirculating vortex is generated that acts on the pressure side of EN0005 blade rotor that increases the performance of this cambered EN0005 blade rotor in its downstream position as well. Here, the aerodynamic performances have been compared considering Standard k-ε and SST k-ω models to check the better suited turbulence model for the cambered EN0005 blade H-Darrieus rotor in low tip speed ratios.
Hyunseo Kang;Nahyeon Roh;Do-young Kim;Min-jun Park
Journal of Aerospace System Engineering
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v.18
no.4
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pp.18-26
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2024
This paper describes the results of a study on Generic Quad Tilt Rotor UAM aircraft, focusing on nonlinear mathematical modeling and the development of real-time simulation software. In this research, we designed a configuration for a Generic Quad Tilt Rotor eVTOL UAM aircraft based on NASA's UAM mission requirements. We modeled the aerodynamics using a database, the prop-rotor dynamics with a thrust database, and included a ground reaction and atmospheric model in the flight model. We defined the control concept for various modes(helicopter mode, transition mode, and airplane mode), derived tilt angle corridors, and formulated flight control requirements. The resultant real-time flight simulation software not only performs trim analysis for Tilt Rotor UAM aircraft but also predicts handling qualities, optimizes tilt angle scheduling based on dynamic characteristics, designs and validates flight control laws for helicopter, transition, and airplane modes, and facilitates flight training through simulator integration.
Ijaz, Salman;Hamayun, Mirza Tariq;Yan, Lin;Mumtaz, Muhammad Faisal
Journal of Electrical Engineering and Technology
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v.11
no.6
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pp.1863-1871
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2016
This paper presents an application of fractional order controller for the control of multi input multi output twin rotor aerodynamic system. Dynamics of the considered system are highly nonlinear and there exists a significant cross-coupling between the horizontal and vertical axes (pitch & yaw). In this paper, a fractional order model of twin rotor aerodynamic system is identified using input output data from nonlinear system. Based upon identified fractional order model, a fractional order PID controller is designed to control the angular position of level bar of twin rotor aerodynamic system. The parameters of controller are tuned using Nelder-Mead optimization and compared with particle swarm optimization techniques. Simulation results on the nonlinear model show a significant improvement in the performance of fractional order PID controller as compared to a classical PID controller.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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