Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.14
no.4
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pp.47-54
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2014
This paper presents the structural model development and verification processes of wind turbine blade. The National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine which the wind tunnel and structural test data has publicly available is used for the study. The wind turbine assembled by blades, rotor, nacelle and tower. The wind blade connected to rotor. To make the whole turbine structural model, the mass and stiffness properties of all parts should be clear and given. However the wind blade, hub, nacelle, rotor and power generating machinery parts have difficulties to define the material properties because of the composite and assembling nature of that. Nowadays to increase the power generating coefficient and cost efficiency, the highly accurate aerodynamic loading evaluating technique should be developed. The Fluid-Structure Interaction (FSI) is the emerging new way to evaluate the aerodynamic force on the rotating wind blade. To perform the FSI analysis, the fluid and structural model which are sharing the associated interface topology have to be provided. In this paper, the structural model of blade development and verifying processes have been explained for Part1. In following Part2 paper, the processes of whole turbine system will be discussing.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.4
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pp.44-52
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2002
Aerodynamic characteristics of a flapping airfoil in low Reynolds number flows are numerically studied using the unsteady, incompressible Navier-Stokes flow solver with a two-equation turbulence model. For more efficient computation of unsteady flows over flapping airfoil, the flow solver is parallel-implemented by MPI programming method Unsteady computations are performed for low Reynolds number flows over a NACA four-digit series airfoils. Effects of pitching, plunging, and flapping motion with different reduced frequency, amplitude, thickness and camber on aerodynamic characteristics are investigated. Present computational results yield a better agreement in thrust at various reduced frequency with experimental data.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.30
no.11
s.254
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pp.1131-1138
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2006
Aerodynamic shape design of a partial admission turbine using CFD has been performed. Two step approaches are adopted in this study. Firstly, two-dimensional blade shape is optimized using CFD and genetic algorithm. Initially, the turbine cascade shape is represented by four design parameters. By controlling the design parameters as variables, the non-gradient search is analyzed for obtaining the maximum efficiency. The final two-dimensional blade proved to have a more blade power than the initial blade. Secondly, the three-dimensional CFD analysis including the nozzle, rotor and stator has been conducted. To avoid a heavy computational load due to an unsteady calculation, the frozen rotor method is implemented in steady calculation. The frozen rotor method can detect a variation of the flow-field dependent upon the blade's circumferential position relative to the nozzle. It gives a better idea of wake loss mechanism starting from the lip of the nozzle than the mixing plane concept. Finally, the combination of two and three dimensional design method of the partial admission turbine in this study has proven to be a robust tool in development phase.
Numerical simulation was performed for the rotor blade with fixed tab in hover using an unstructured mesh Navier-Stokes flow solver. The inflow and outflow boundary conditions using 1D momentum and 3D sink theory were applied to reduce computational time. Calculations were performed at several operating conditions of varying collective pitch angle and fixed tab length. The aerodynamic effect of fixed tab length was investigated for hovering efficiency, pitching moment and flapping moment of the rotor blade. The results show that it affects linearly increasing on the pitching moment of the rotor blade but does not affect on the flapping moment. The required power is less than 45kw for ground rotating test in hover. Numerical simulations also show that the vortex generate not only from the tip of the rotor blade but also from the fixed tab on the rotor blade.
The one way fluid structure interaction analysis on advanced propeller blade for next generation turboprop aircraft. HS1 airfoil series are selected as a advanced propeller blade airfoil. Adkins method is used for aerodynamic design and performance analysis with respect to the design point. Adkins method is based on the vortex-blade element theory which design the propeller to satisfy the condition for minimum energy loss. propeller geometry is generated by varying chord length and pitch angle at design point. Blade sweep is designed based on the design mach number and target propulsion efficiency. The aerodynamic characteristics of the designed Advanced propeller were verified by CFD(Computational Fluid Dynamic) and showed the enhanced performance than the conventional propeller. The skin-foam sandwich structural type is adopted for blade. The high stiffness, strength carbon/epoxy composite material is used for the skin and PMI(Polymethacrylimide) is used for the foam. Aerodynamic load is calculated by computational fluid dynamics. Linear static stress analysis is performed by finite element analysis code MSC.NASTRAN in order to investigate the structural safety. The result of structural analysis showed that the design has sufficient structural safety. It was concluded that structural safety assessment should incorporate the off-design points.
This paper describes a new design of small-scale horizontal wind blade, called spiral wind turbine blade. Theoretical and numerical approaches on the prediction of aerodynamic performance of the blade have been conducted. A theoretical equation is successfully derived using the angular momentum equation to predict aerodynamic characteristics according to the design shape parameters of spiral blade. To be compared with the theoretical value, a numerical simulation using ANSYS CFX v12.1 is performed on the same design with the theoretical one. Large scale tip vortex is captured and graphically presented in this paper. The TSR-$C_p$ diagram shows a typical parabolic relation in which the maximum efficiency of the blade approximately 25% exists at TSR=2.5. The numerical simulation agrees well with that of the theoretical result except at the low rotational speed region of 0~20 rad/s.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.8
no.3
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pp.181-189
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2000
The aerodynamic characteristics of large transport vehicle has become more and more important in recent vehicle design to improve driving performance in high speed cruising and raise the product valve with regard to a comfortable driving condition. Hence, detailed knowledge of the flow field around truck coner vane is essential to improve fuel efficiency and reduce the dirt contamination on vehicle body surface. In this study, three-dimensional flow characteristics around corner vane attached to truck cabin were computed for the steady, incompressible, and high speed viscous flow, adopting the RNG k-$\varepsilon$ turbulence model. In order to investigate the influence of configuration and structure of corner vane, computations were carried out for four cases at a high Reynolds number, Re=4.1$\times$106 (based on the cabin height). The global flow patterns, drag coefficient and the distributions such as velocity magnitude, turbulent kinetic energy around the corner vane, were examined. As a result of this study, we could identify the flow characteristics around corner vane for the variation of corner vane length and width. Also, suggest the improved structure to reduce the dirt contamination in cabin side.
In the work at hand, the development of a morphing flap, actuated through shape memory alloy load bearing elements, is described. Moving from aerodynamic specifications, prescribing the morphed shape enhancing the aerodynamic efficiency of the flap, a suitable actuation architecture was identified, able to affect the curvature. Each rib of the flap was split into three elastic elements, namely "cells", connected each others in serial way and providing the bending stiffness to the structure. The edges of each cell are linked to SMA elements, whose contraction induces rotation onto the cell itself with an increase of the local curvature of the flap airfoil. The cells are made of two metallic plates crossing each others to form a characteristic "X" configuration; a good flexibility and an acceptable stress concentration level was obtained non connecting the plates onto the crossing zone. After identifying the main design parameters of the structure (i.e. plates relative angle, thickness and depth, SMA length, cross section and connections to the cell) an optimization was performed, with the scope of enhancing the achievable rotation of the cell, its ability in absorbing the external aerodynamic loads and, at the same time, containing the stress level and the weight. The conceptual scheme of the architecture was then reinterpreted in view of a practical realization of the prototype. Implementation issues (SMA - cells connection and cells relative rotation to compensate the impressed inflection assuring the SMA pre-load) were considered. Through a detailed FE model the prototype morphing performance were investigated in presence of the most severe load conditions.
In the present study, three-dimensional aerodynamic optimization of high pressure turbine nozzle for turbofan engine was performed. For this, Kriging surrogate model was built and refined iteratively by supplying additional experimental points until the surrogate model and CFX result has effective difference on objective function. When the surrogate model satisfied this reliability condition and developed enough, optimum point was investigated. Commercial program PIAnO was used for optimization process and evolutionary algorithm was used for searching optimum point. As a result, difference between estimated value from Kriging surrogate model and CFD result converges within 0.01% and the optimized nozzle shape has 0.83% improved aerodynamic efficiency.
Numerical analysis of aerodynamic characteristics was differently performed according to the running situation of the Korean Tilting Train eXpress(TTX) that would be introduced for an improvement in efficiency of the used railroad track. Fluent 6.0 was used for the analysis of Non-tilting case, Tilting case and Passing-by case with the model of TTX. As a result, the aerodynamic drag had little difference between Tilting and Non-tilting case. However, pressure contour under the train of Tilting case was not symmetry because the gap between a train and the ground was different at both sides. In Passing-by case attraction and counterattraction occurred alternately and affected to the opposite train. When two trains were side by side, the maximum attraction was generated especially. Through an analysis of pressure wave in tunnel a large variation of pressure was generated by the bluff nose of TTX. The results in this study would be good data for the aerodynamic characteristic on TTX and provide important information to judgment of running safety.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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