Hu, Yingying;Parameswaran, Siva;Tan, Jiannan;Dharmarathne, Suranga;Marathe, Neha;Chen, Zixi;Grife, Ronald;Swift, Andrew
Wind and Structures
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제15권1호
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pp.17-26
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2012
Modeling swirling wakes is of considerable interest to wind farm designers. The present work is an attempt to develop a computational tool to understand free, far-wake development behind a single rotating wind turbine. Besides the standard momentum and continuity equations from the boundary layer theory in two dimensions, an additional equation for the conservation of angular momentum is introduced to study axisymmetric swirl effects on wake growth. Turbulence is simulated with two options: the standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ model and the Reynolds Stress transport model. A finite volume method is used to discretize the governing equations for mean flow and turbulence quantities. A marching algorithm of expanding grids is employed to enclose the growing far-wake and to solve the equations implicitly at every axial step. Axisymmetric far-wakes with/without swirl are studied at different Reynolds numbers and swirl numbers. Wake characteristics such as wake width, half radius, velocity profiles and pressure profiles are computed. Compared with the results obtained under similar flow conditions using the computational software, FLUENT, this far-wake model shows simplicity with acceptable accuracy, covering large wake regions in far-wake study.
Although there are many activities on the construction of wind farm to produce amount of power from the wind, in practice power productions are not as much as its expected capabilities. This is because a lack of both the prediction of wind resources and the aerodynamic analysis on turbines with far wake effects. In far wake region, there are velocity deficits and increases of the turbulence intensity which lead to the power losses of the next turbine and the increases of dynamic loadings which could reduce system's life. The analysis on power losses and the increases of fatigue loadings in the wind farm is needed to prevent these unwanted consequences. Therefore, in this study velocity deficits have been predicted and aerodynamic analysis on turbines in the far wake is carried out from these velocity profiles. Ainslie's eddy viscosity wake model is adopted to determine a wake velocity and aerodynamic analysis on wind turbines is predicted by the numerical methods such as blade element momentum theory(BEMT) and vortex lattice method(VLM). The results show that velocity recovery is more rapid in the wake region with higher turbulence intensity. Since the velocity deficit is larger when the turbine has higher thrust coefficient, there is a huge aerodynamic power loss at the downstream turbine.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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제14권5호
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pp.1264-1271
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1990
The vortex lattice method was adopted to predict the aerodynamic performance of a horizontal axis wind turbine. For this simulation. the rotor blade was divided into many panels both in chordwise and spanwise direction and then replaced by horseshoe vortices. The wake was divided into two parts of near wake and far wake : the near wake was assumed as helical vortex line elements and the far wake was modeled by semi-infinite circular vortex cylinder. The induced velocity components were calculated by the Biot-Savart law. By this way the power coefficient was obtained and represented as a function of the tip speed ratio. The numerical results obtained were compared with those of the other methods and experimental results and showed good agreement with experimental results.
Wake downstream of an object in the stratified flow has been of long-standing interest in fluid dynamics because of its similarity to geophysical flow over topographical terrains and more recently, concerns about the wake left behind a body moving through the ocean thermocline. Decades of studies of geophysical flow have unveiled that the flow downstream of obstacles in stratified flow consists of attached wake and strong internal waves, or separated, fluctuating wake and persistent late wakes, all of which depend on the flow conditions. Among unique and interesting characteristics of the stratified flow past obstacles is the generation of coherent vortex structure in the late wake far downstream of the object. Without the density stratification, the flow field downstream becomes undisturbed after relatively fast diminishing of the near wake. However, no matter how small the stratification is, the flow field downstream self-develops coherent vortex structures even after diminishing of the near wake. This paper present a computational approach to simulate the generation mechanism of the coherent vortex and analysis of the vortical structure.
It is necessary to quickly detect and respond to ship accidents that occur continuously due to the influence of the recently increased maritime traffic. For this purpose, ship detection research is being actively conducted based on satellite images that can be monitored in real time over a wide area. However, there is a possibility that the wake may be falsely detected as a ship because the wake removal is not performed in previous studies that performed ship detection using spectral characteristics. Therefore, in this study, ship detection was performed using SDI (Ship Detection Index) based on the Sentinel-2A satellite image, and the wake was removed by utilizing the difference in the spectral characteristics of the ship and the wake. Probability of detection (POD) and false alarm rate (FAR) indices were used to verify the accuracy of the ship detection algorithm in this study. As a result of the verification, POD was similar and FAR was improved by 6.4% compared to the result of applying only SDI.
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제1권1호
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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 Society of Naval Architects of Korea
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제48권5호
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pp.414-420
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2011
Decades of studies of geophysical flow have unveiled that the flow downstream of obstacles in stratified flow consists of attached wake and strong gravity waves, or separated, fluctuating wake and persistent late wakes. Among unique and interesting characteristics of the stratified flow past obstacles is the generation of coherent vortex in the late wake far downstream of the object. Unlike in homogeneous fluid, the flow field downstream self-develops coherent vortex even after diminishing of the near wake, no matter how small the stratification is. This paper present a computational approach to simulate the generation of the coherent vortex structure in the late wake of a moving sphere submerged in weakly stratified fluid. The results are in consistent with several experimental observations and the vortex stretching mechanism is employed to explain the process of coherence.
Decades of studies of geophysical flow have unveiled that the flow downstream of obstacles in stratified flow consists of attached wake and strong internal waves, or separated, fluctuating wake and persistent late wakes. Among unique and interesting characteristics of the stratified flow past obstacles is the generation of coherent vortex the late wake far downstream of the object. Unlike in homogeneous fluid, the flow field downstream self-develops coherent vortex even after diminishing of the near wake, no matter how small the stratification is. This paper present a computational approach to simulate the generation of the coherent vortex structure in late wake of a moving sphere submerged in weakly stratified fluid. The results are in consistent with several experimental observations and the vortex stretching mechanism is employed to explain the process of coherence.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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제35권11호
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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.
Kim, Chung-Ok;Eum, Hark-Jin;Nam, Hyun-Woo;Kim, Gui-Shik
Journal of the Korean Solar Energy Society
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제31권6호
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pp.57-65
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2011
The wake generated by a wind turbine has an effect on performance of a downstream wind turbine as well as mechanical loads. This paper investigated characteristics of fatigue load at the blade root due to the wake effects and quantitatively analyzed its effects at operating condition of a 5MW tripod offshore wind turbine using Bladed 4.1 software. The wake effects was studied the way the wake's center position move from the rotor center to the blade tip to the far-away position where the wake doesn't affect the wind turbine. When wake's center was located on the blade tip or the rotor center, damage equivalent fatigue load was higher than other positions. It was up to 10~14% compared to those of non-wake case. Results of this study would be helpful to design wind turbines and wind farms to have lifetimes more than 20 years of the wind turbine.
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