The monopile-friction wheel hybrid foundation is an innovative solution for offshore structures which are mainly subjected to large lateral eccentric load induced by winds, waves, and currents during their service life. This paper presents an extensive numerical analysis to investigate the lateral load and moment bearing performances of hybrid foundation, considering various potential influencing factors in sand-overlaying-clay soil deposits, with the complex lateral loads being simplified into a resultant lateral load acting at a certain height above the mudline. Finite element models are generated and validated against experimental data where very good agreements are obtained. The failure mechanisms of hybrid foundations under lateral loading are illustrated to demonstrate the effect of the friction wheel in the hybrid system. Parametric study shows that the load bearing performances of the hybrid foundation is significantly dependent of wheel diameter, pile embedment depth, internal friction angle of sand, loading eccentricity (distance from the load application point to the ground level), and the thickness of upper sandy layer. Simplified empirical formulae is proposed based on the numerical results to predict the corresponding lateral load and moment bearing capacities of the hybrid foundation for design application.
Offshore wind energy has become a major energy source, and various studies are underway to increase the economic feasibility of floating offshore wind turbines (FOWT). In this study, the characteristics of wave-induced motion of a combined wind-wave energy platform were analyzed to reduce the variability of energy extraction. A user subroutine was developed, and numerical analysis was performed in connection with the ANSYS-AQWA hydrodynamic program in the time domain. A platform combining the TLP-type FOWT and the Wavestar-type wave energy converter (WEC) was proposed. Each motion response of the platform on the second-order wave load, the effect of WEC attachment and Power take-off (PTO) force were analyzed. The mooring line tension according to the installation location was also analyzed. The vertical motion of a single FOWT was increased approximately three times due to the second-order sum-frequency wave load. The PTO force of the WEC played as a vertical motion damper for the combined platform. The tension of the mooring lines in front of the incident wave direction was dominantly affected by the pitch of the platform, and the mooring lines located at the side of the platform were mainly affected by the heave of the platform.
Marine structures including offshore wind turbines (OWTs) always work under cyclic loads, which arouses much attention on the fatigue design. The tripod substructure is one of the typical foundation forms for fixed OWTs. The three-planar tubular Y-joint (3Y joint) is one of the important components in fatigue design as it is most likely to have cracks. With the existence of the multiplanar interaction effect, calculating the hot spot stress (HSS) of 3Y joints is complicated. To assist with fatigue design, the distributions of stress concentration factor (SCF) and multiplanar interaction factor (MIF) along weld toe curves induced by the out-of-plane bending moment are explored in this study. An FE analysis method was first developed and verified against experimental results. This method was applied to build a numerical database including 1920 FE models covering common ranges of geometric parameters. A parametric study has been carried out to reveal the distribution patterns of SCF and MIF. After multidimensional nonlinear fittings, SCF and MIF distribution formulas have been proposed. Accuracy and reliability checking prove that the proposed formulas are suitable for calculating the HSS of 3Y joints.
Yang Wang;Mingxing Zhu;Guoliang Dai;Jiang Xu;Jinbiao Wu
Geomechanics and Engineering
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v.37
no.2
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pp.167-178
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2024
The natural frequency shift under cyclic environmental loads is a key issue in the design of monopile-based offshore wind power turbines because of their dynamic sensitivity. Existing evidence reveals that the natural frequency shift of the turbine system in sand is related to the varying foundation stiffness, which is caused by soil deformation around the monopile under cyclic loads. Therefore, it is an urgent need to investigate the effect of soil deformation on the system frequency. In the present paper, three generalized geometric models that can describe soil deformation under two-way cyclic loads are proposed. On this basis, the cycling-induced changes in soil parameters around the monopile are quantified. A theoretical approach considering three-spring foundation stiffness is employed to calculate the natural frequency during cycling. Further, a parametric study is conducted to describe and evaluate the frequency shift characteristics of the system under different conditions of sand relative density, pile slenderness ratio and pile-soil relative stiffness. The results indicate that the frequency shift trends are mainly affected by the pile-soil relative stiffness. Following the relevant conclusions, a design optimization is proposed to avoid resonance of the monopile-based wind turbines during their service life.
In this study, the effect of the time step specified in a computational fluid dynamics (CFD) simulation on load response is analyzed and the drag coefficients of the floating body of floating offshore wind turbines (FOWTs) are estimated. By evaluating the error in the FOWT load response and the change in the drag-coefficient values based on the density of the time intervals, this study aims to establish a time-interval setting that minimizes the time and cost of CFD simulations for selecting drag-coefficient values. Practical CFD utilization strategies necessary for the calibration of medium-to high-fidelity analysis tools are presented. Based on a comparative analysis of CFD simulations conducted at various time intervals, the results confirmed that under a certain time interval that sufficiently considers various factors, the accuracy of the FOWT response with respect to density shows minimal differences, thereby providing an efficient utilization method for CFD simulations in FOWT design and analysis.
We observed five species and 163 individuals of birds in the Demonstration Offshore Wind Farm in the southern part of the West Sea in Korea, and 33 species and 4,023 individuals from Gusipo to Dongho Beach. The most dominant bird in both areas was the black-tailed gull, Larus crassirostris. The flight height of birds for collision risk (wind turbine and bird) was divided into two groups. First, the safe height was from sea level to 20 m (< 20 m), with no effect from the action of revolving blades. Second, the danger height was more than 20 m from sea level (> 20 m), with a collision risk from the action of revolving blades. Birds flying a safe height (< 20 m) were 83.9% (271 individuals) and danger height (> 20 m) were 16.1% (52 individuals). Also, 11.7% of birds (35 individuals) used the inside of the Demonstration Offshore Wind Farm as a habitat for foraging and resting, and 88.3% birds used the outside. We suggest that the risk of collision with the wind farm was low due to the relatively low flight height of birds and distance between wind turbines (> 800 m).
The effect of agitation on liquid-liquid dispersion was investigated in an immisible liquid phase(n-hexane/water) system. Four different types of six-bladed turbine impellers were used: a flat blade, two screen blades and a solid edged 60 mesh screen blade. We found that the extent of dispersion of organic phase and power consumption of agitator were decreased in the order of flat, solid edged, 60 mesh, and 40 mesh blades at same agitation speed. And the minimum agitation speed for complete dispersion of organic phase was increased with increasing volume fraction of organic phase. Also, mean diameter of liquid droplets of dispersed phase was decreased with increasing agitation speed and it was increased in the order of solid edged, flat, 60 mesh, and 40 mesh screen blades at same agitation speed. At complete dispersion, the minimum power consumption was not vary significantly with impeller blade types, but the solid edged screen blade impeller gave the smallest and uniform sizes of liquid droplets, and it had a good performance for liquid-liquid dispersion. In this condition, Power number was not affected by Reynolds number and it was constant in turbulent flow region, and Sauter mean diameter($d_{32}$) of liquid droplets was expressed as a function of volume fraction of organic phase(${\phi}$) and Weber number($N_{We}$) as follows: $d_{32}/D=a(1+b{\phi})N_{We}{^{-0.6}}$.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.36
no.3
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pp.251-257
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2012
This work presents an experimental investigation of NOx emissions according to inlet air temperature (550-660 K), stoichiometric air ratio (${\lambda}$, 1.4-2.1), and elevated pressure (2-5 bar) in a High Press Combustor (HPC) equipped with a double cone burner, which was designed by Pusan Clean Coal Center (PC3). The exhaust-gas temperature and NOx emissions were measured at the end of the combustion chamber. The NOx emissions generally decreased as a function of increasing ${\lambda}$. On the other hand, NOx emissions were influenced by ${\lambda}$, inlet air temperature and pressure of the combustion chamber. In particular, when the inlet air temperature increased, the flammability limit was extended to leaner conditions. As a result, a higher adiabatic temperature and lower NOx emissions could be achieved under these operation conditions. The NOx emissions that were governed by thermal NOx were greatly increased under elevated pressures, and slightly increased at sufficiently low fuel concentrations (${\lambda}$ >1.8).
Lee, Min Chul;Yoon, Jisu;Joo, Seong Pil;Yoon, Youngbin
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.8
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pp.639-648
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2013
This paper describes on the NOx/CO emission characteristics, temperature characteristics and flame structures when firing coal derived synthetic gas especially for gases of Buggenum and Taean IGCC. These combustion characteristics were observed by conducting ambient-pressure elevated-temperature combustion tests in GE7EA model combustor when varying heat input and nitrogen dilution ratio. Nitrogen addition caused decrement in adiabatic flame temperature, thus resulting in the NOx reduction. At low heat input condition, nitrogen dilution raised the CO emission dramatically due to incomplete combustion. These NOx reduction and CO arising phenomena were observed at certain flame temperature of $1500^{\circ}C$ and $1250^{\circ}C$, respectively. As increasing nitrogen dilution, adiabatic flame temperature and combustor liner temperature were decreased and singular points were detected due to change in flame structure such as flame lifting. From the results, the effect of nitrogen dilution on the NOx/CO and flame structure was examined, and the test data will be utilized as a reference to achieve optimal operating condition of the Taean IGCC demonstration plant.
Yu, Jong Min;Song, Jung Soo;Jeong, Tae Min;Lok, Vanno;Yoon, Kee Bong
Journal of Energy Engineering
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v.27
no.2
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pp.14-25
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2018
The combined cycle power plant has a cycle of operating the gas turbine with fuel, such as natural gas, and then producing steam using residual heat. The fuel gas is supplied to the gas turbine at a level of 4 to 5 MPa, $200^{\circ}C$ through a compressor and a heat exchanger. In this study, the risk assessment method considering the piping system stress was carried out for safe operation and soundness of the gas fuel supply piping system. The API 580/581 RBI code, which is well known for its risk assessment techniques, is limited to reflect the effect of piping stress on risk. Therefore, the systematic stress of the pipeline is analyzed by using the piping analysis. For the study, the piping system stress analysis was performed using design data of a gas fuel supply piping of a combined cycle power plant. The result of probability of failure evaluated by the API code is compared to the result of stress ratio by piping analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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