Kim, Ki-Ha;Kim, Dong-Hyun;Kwak, Young-Seob;Kim, Su-Hyun
The KSFM Journal of Fluid Machinery
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v.18
no.2
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pp.14-21
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2015
Design lifetime of a wind turbine is required to be at least 20 years. The most important step to ensure the deign is to evaluate the loads on the wind turbine as accurately as possible. In this study, extreme design load of a offshore wind turbine using Garrad Hassan (GH) Bladed and National Renewable Energy Laboratory (NREL) FAST codes are calculated considering structural dynamic loads. These wind turbine aeroelastic analysis codes are high efficiency for the rapid numerical analysis scheme. But, these codes are mainly based on the mathematical and semi-empirical theories such as unsteady blade element momentum (UBEM) theory, generalized dynamic wake (GDW), dynamic inflow model, dynamic stall model, and tower influence model. Thus, advanced CFD-dynamic coupling method is also applied to conduct cross verification with FAST and GH Bladed codes. If the unsteady characteristics of wind condition are strong, such as extreme design wind condition, it is possible to occur the error in analysis results. The NREL 5 MW offshore wind turbine model as a benchmark case is practically considered for the comparison of calculated designed loads. Computational analyses for typical design load conditions such as normal turbulence model (NTM), normal wind profile (NWP), extreme operation gust (EOG), and extreme direction change (EDC) have been conducted and those results are quantitatively compared with each other. It is importantly shown that there are somewhat differences as maximum amount of 18% among numerical tools depending on the design load cases.
Zheng-Wei, Chen;Syeda Anam, Hashmi;Tang-Hong, Liu;Wen-Hui, Li;Zhuang, Sun;Dong-Run, Liu;Hassan, Hemida;Hong-Kang, Liu
Wind and Structures
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v.35
no.5
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pp.309-322
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2022
Due to the complex terrain around high-speed railways, the windbreaks were established along different landforms, resulting in irregular windbreak transition regions between different subgrade infrastructures (flat ground, cutting, embankment, etc). In this paper, the effect of a windbreak transition on the wind flow around railways subjected to crosswinds was studied. Wind tunnel testing was conducted to study the wind speed change around a windbreak transition on flat ground with a uniform wind speed inflow, and the collected data were used to validate a numerical simulation based on a detached eddy simulation method. The validated numerical method was then used to investigate the effect of the windbreak transition from the flat ground to cutting (the "cutting" is a railway subgrade type formed by digging down from the original ground) for three different wind incidence angles of 90°, 75°, and 105°. The deterioration mechanism of the flow fields and the reasons behind the occurrence of the peak wind velocities were explained in detail. The results showed that for the windbreak transition on flat ground, the impact was small. For the transition from the flat ground to the cutting, the influence was relatively large. The significant increase in the wind speeds was due to the right-angle structure of the windbreak transition, which resulted in sudden changes of the wind velocity as well as the direction. In addition, the height mismatch in the transition region worsened the protective effect of a typical windbreak.
Recently, the number of design for open-spaces at waterfront, such as open-air restaurant and cafeteria, has been increasing to provide openness and natural environment of waterfront. However, when planning open-air restaurant and cafeteria, it is essential to investigate the climate characteristic of waterfront, especially wind environment, since the waterfront has a special quality of climate like low-temperature and strong wind which differs from downtown or inland. In this study, wind environments of Haeundae, Suyoungman, and Gwanganli, the famous waterfronts in Busan, were investigated for design of open-air restaurants and open cafeterias. The main results were as follows. 1) the waterfront area of Haeundae, Suyoungman, and Gwanganli is suitable for open-air restaurant and open cafeterias; and 2) the appropriate period for open space in this area is from the end of March to November.
Super long-span bridges provide people with great convenience, but they also bring traffic safety problems caused by strong wind owing to their high decks. In this paper, the large eddy simulation together with dynamic mesh technology in computational fluid dynamics (CFD) is used to explore the mechanism of a moving vehicle's transient aerodynamic force in crosswind, the regularity and mechanism of the vehicle's aerodynamic forces when it passes through a bridge tower's wake zone in crosswind. By comparing the calculated results and those from wind tunnel tests, the reliability of the methods used in the paper is verified on a moving vehicle's aerodynamic forces in a bridge tower's wake region. A vehicle's aerodynamic force coefficient decreases sharply when it enters into the wake region, and reaches its minimum on the leeward of the bridge tower where exists a backflow region. When a vehicle moves on the outermost lane on the windward direction and just passes through the backflow region, it will suffer from negative lateral aerodynamic force and yaw moment in the bridge tower's wake zone. And the vehicle's passing ruins the original vortex structure there, resulting in that the lateral wind on the right side of the bridge tower does not change its direction but directly impact on the vehicle's windward. So when the vehicle leaves from the backflow region, it will suffer stronger aerodynamic than that borne by the vehicle when it just enters into the region. Other cases of vehicle moving on different lane and different directions were also discussed thoroughly. The results show that the vehicle's pneumatic safety performance is evidently better than that of a vehicle on the outermost lane on the windward.
Long-span cross-strait bridges extending into deep-sea waters are exposed to complex marine environments. During the construction stage, the flexible freestanding bridge towers are more vulnerable to environmental loads imposed by wind and wave loads. This paper presents an experimental investigation on the dynamic responses of a 389-m-high freestanding bridge tower model in a test facility with a wind tunnel and a wave flume. An elastic bridge model with a geometric scale of 1:150 was designed based on Froude similarity and was tested under wind-only, wave-only and wind-wave combined conditions. The dynamic responses obtained from the tests indicate that large deformation under resonant sea states could be a structural challenge. The dominant role of the wind loads and the wave loads change according to the sea states. The joint wind and wave loads have complex effects on the dynamic responses of the structure, depending on the approaching direction angle and the fluid-induced vibration mechanisms of the waves and wind.
Within this paper a new approach for early damage detection in rotor blades of wind energy converters is presented, which is shown to have a more sensitive reaction to damage than eigenfrequency-based methods. The new approach is based on the extension of Gasch's proportionality method, according to which maximum oscillation velocity and maximum stress are proportional by a factor, which describes the dynamic behavior of the structure. A change in the proportionality factor can be used as damage indicator. In addition, a novel deflection sensor was developed, which was specifically designed for use in wind turbine rotor blades. This deflection sensor was used during the experimental tests conducted for the measurement of the blade deflection. The method was applied on numerical models for different damage cases and damage extents. Additionally, the method and the sensing concept were applied on a real 50.8 m blade during a fatigue test in the edgewise direction. During the test, a damage of 1.5 m length was induced on the upper trailing edge bondline. Both the initial damage and the increase of its length were successfully detected by the decrease of the proportionality factor. This decrease coincided significantly with the decrease of the factor calculated from the numerical analyses.
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.
The aim of this paper is to research the change in the turbulent flow and the AOA occurred by the wind perpendicular to the direction of runway according to the three-dimensional numerical analysis. The maximum amplitude of AOA variation on runway reached $6^{\circ}$ within 1 second because of the wake formed by the constructions in the vicinity of the airport. The overall effects appeared in aperiodic forms. It was also observed the rapid flow generated between the buildings shifted into the existing wake and eventually merged with it. It is expected thai the strong wake will cause instability during takeoff and landing.
Journal of Korean Society for Atmospheric Environment
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v.16
no.3
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pp.225-236
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2000
Diurnal variations of wind field and pollutant dispersion over the Yosu area under the insolation conditions of summer and winter were investigated by using the Regional Atmospheric Modeling System (RAMS). Initially, horizontally homogeneous wind field were assumed on the basis of sounding data at the Kwangju upper-air station for days whose morning wind speeds were below 2m/s. In these days, the sea breeze prevailed in summer while the land breeze lasted for a few hours in the morning; the effect of synoptic winds was strong in winter with some inclusion of wind variations owing to the interaction between sea and land. The predicted wind direction at the location of the Yosu weather station captured an important change of the sea-land breeze of the observed one. The predicted wind speed and the air temperature agreed with observed ones in a reasonable range. In the morning, both in summer and winter, winds around the source location were diverged and became weak between the mountainous area to the southeast and the Kwangyang Bay to the north. Winds, however, accelerated while blowing to the east and south and blowing on the mountainous area. Complicated wind fields resulted in high pollutant concentrations at almost all receptors considered. These high concentrations in the morning were even comparable to the ISCST3 calculations with the worst-case and typical meteorological conditions designated by USEPA(1996). On the other hand, in the afternoon, the wind field was rather uniform even in the mountainous area with development of mixing layer and the concentration distributions being close to the Gaussian distributions.
The typical characteristics of seasonal winds were studied around the Pohang using two-stage (average linkage then k-means) clustering technique based on u- and v-component wind at 850 hpa from 2004 to 2006 (obtained the Pohang station) and a high-resolution (0.5 km grid for the finest domain) WRF-UCM model along with an up-to-date detailed land use data during the most predominant pattern in each season. The clustering analysis identified statistically distinct wind patterns (7, 4, 5, and 3 clusters) representing each spring, summer, fall, and winter. During the spring, the prevailed pattern (80 days) showed weak upper northwesterly flow and late sea-breeze. Especially at night, land-breeze developed along the shoreline was converged around Yeongil Bay. The representative pattern (92 days) in summer was weak upper southerly flow and intensified sea-breeze combined with sea surface wind. In addition, convergence zone between the large scale background flow and well-developed land-breeze was transported around inland (industrial and residential areas). The predominant wind distribution (94 days) in fall was similar to that of spring showing weak upper-level flow and distinct sea-land breeze circulation. On the other hand, the wind pattern (117 days) of high frequency in winter showed upper northwesterly and surface westerly flows, which was no change in daily wind direction.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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