Journal of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction
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v.35
no.7
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pp.157-164
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2019
The wind tunnel test makes it possible to predict the wind loads for the wind resistant design. There are many methods to evaluate wind loads from data obtained from the wind tunnel test and these methods have advantages and disadvantages. In this study, two of these methods were analyzed and compared. One is the wind load evaluation method by fluctuating displacement and the other is the wind load evaluation method considering vertical profile of fluctuating wind force. The former method is evaluated as the sum of the mean wind load of the average wind force and the maximum value of the fluctuating wind load. The latter method is evaluated as the sum of the mean wind load and maximum value of the background wind load, and the maximum value of the resonant wind load. Two methods were applied to the wind tunnel test to compare the evaluated wind loads according to the two methods, with a maximum difference of about 1.2 times. The wind load evaluated by the method considering vertical profile of the fluctuating wind force (VPFWF) was larger than the wind load evaluated by the method by fluctuating displacement (FD). Especially, the difference of the wind load according to the two methods is large in the lower part of the building and the wind load is reversed at a specific height of the building. VPFWF of evaluating resonant wind loads and background wind loads separately is more reasonable.
Large-scale High Temperature Superconducting (HTS) wind power generators suffer from high electromagnetic force and high torque due to their high current density and low rotational speed. Therefore, the torque and Lorentz force of HTS wind power generators should be carefully investigated. In this paper, we proposed a Performance Evaluation System (PES) to physically test the structural stability of HTS coils with high torque before fabricating the generator. The PES is composed of the part of a pole-pair of the HTS generator for estimating the characteristic of the HTS coil. The 10 MW HTS generator and PES were analyzed using a 3D finite element method software. The performance of the HTS coil was evaluated by comparing the magnetic field distributions, the output power, and torque values of the 10 MW HTS generator and the PES. The magnetic flux densities, output power, and torque values of the HTS coils in the PES were the same as a pole-pair of the 10 MW HTS generator. Therefore, the PES-based evaluation method proposed in this paper can be used to estimate the critical characteristics of the HTS generator under high magnetic field and high torque before manufacturing the HTS wind turbines. These results will be used effectively to research and manufacture large-scale HTS wind turbine generators.
Application examples of computational fluid dynamics (CFD) in the planning stage of high-rise buildings are introduced. First, we introduce examples of applications in the environmental field. The pedestrian wind environment was one of the earliest practical examples of CFD. CFD was also employed to validate the heat island mitigation measures proposed as part of the new construction plan. Second, application examples of wind-force evaluations are introduced. Prediction examples are presented for the peak wind pressure around a complex-shaped building and the wind force evaluation for a base-isolated building. The results prove that the results of the proper execution of CFD are equivalent to those of the wind tunnel experiment. As examples of CFD applications of other issues related to high-rise building planning, we introduce snow accretion on outer walls and high-temperature exhaust from emergency generators. Finally, the future prospects for the use of CFD are discussed.
This paper presents the results of a set of wind tunnel tests carried out to examine wind-induced overall structural loads on rectangular medium-rise buildings. Emphasis was directed towards torsion and its correlation with peak shear forces in transverse and longitudinal directions. Two building models with the same horizontal dimensions but different gabled-roof angles ($0^{\circ}C$ and $45^{\circ}C$) were tested at different full-scale equivalent eave heights (20, 30, 40, 50, and 60 m) in open terrain exposure for all wind directions (every $15^{\circ}C$). Wind-induced pressures were integrated over building surfaces and results were obtained for along-wind force, across-wind force, and torsional moment. Maximum wind force component was given along with the other simultaneously-observed wind force components normalized by the overall peak. The study found that for flat-roofed buildings maximum torsion for winds in transverse direction is associated with 80% of the overall shear force perpendicular to the longer horizontal building dimension; and 45% of the maximum shear occurs perpendicular to the smaller horizontal building dimension. Comparison of the wind tunnel results with current torsion provisions in the American wind standard, the Canadian and European wind codes demonstrate significant discrepancies. Suggested load combination factors were introduced aiming at an adequate evaluation of wind load effects on rectangular medium-rise buildings.
The aim of the current study is to compare the performance of large 2 MW and 3 MW wind turbines operating on existing onshore wind farms using Blade Element Momentum (BEM) theory and Angular Momentum (AM) theory and illustrate the performance characteristic curves of the turbines as a function of wind speed (U∞). To achieve this, the measurement data obtained from two different Wind Energy Power Plants (WEPPs) located in the Hatay region of Turkey was used. Two different horizontal-axis wind turbines with capacities of 2 MW and 3 MW were selected for evaluation and comparison. The hub-height wind speed (UD), turbine power output (P), atmospheric air temperature (Tatm) and turbine rotational speed (Ω) data were used in the evaluation of the turbine performance characteristics. Curves of turbine power output (P), axial flow induction factor (a), turbine rotational speed (Ω), turbine power coefficient (CP), blade tip speed ratio (λ), thrust force coefficient (CT) and thrust force (T) as a function of U∞ were obtained for the 2 MW and 3 MW wind turbines and these characteristic curves were compared. Results revealed that, for the same wind speed conditions, the higher-capacity wind turbine (3 MW) was operating at higher turbine power coefficient rates, while rotating at lower rotational speed ratios than the lower-capacity wind turbine (2 MW).
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.38
no.5
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pp.627-634
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2018
In the study, computational fluid dynamics analysis was performed to estimate wind force coefficients for a box-type concrete girder bridge under the influence of wind. The drag, lift and pitching moment coefficients were obtained for the bridge section without noise barrier and compared with those of the bridge section with noise barriers of various heights. The shear stress transport $k-{\omega}$ turbulence model was employed to estimate the wind force coefficients, and the contribution of the friction drag force to the total drag force was investigated. It was found from the study that the drag force coefficients increased as the height of noise barrier increased when a wind blew horizontally, and that the contribution of the friction drag force was highest for the bridge section without noise barrier. It is concluded that the impact of the height of noise barriers should be considered in the design of bridges, and the friction force played an important role in evaluating wind forces on bridges.
The paper is concerned with the numerical study of the cross-wind response of the 295 m-tall six-flue industrial chimney, located in the power station of Belchatow, Poland. The response of the chimney due to turbulent wind flow is caused by the lateral turbulence component and vortex excitation with taking into account motion-induced wind forces. The cross-wind response has been estimated by means of the random vibration approach. Three power spectral density functions suggested by Kaimal, Tieleman and Solari for the evaluation of the lateral turbulence component response are taken into account. The vortex excitation response has been calculated by means of the Vickery and Basu's model including some complements. Motion-induced wind forces acting on a vibrating chimney have been modeled as a nonlinear aerodynamic damping force. The influence of three components mentioned above on the total cross-wind response of the chimney has been investigated. Moreover, the influence of damping ratios, evaluated by Multi-mode Random Decrement Technique, and number of mode shapes of the chimney have been examined. Computer programmes have been developed to obtain responses of the chimney. The numerical results and their comparison are presented.
A wind turbine obtains its power input by converting the force of the wind into a torque (turning force) acting on the rotor blades. The amount of energy which the wind transfers to the rotor depends on the density of the air, the rotor area, and the wind speed. Because it has long term operating life and very complex load condition, the fatigue strength of each component must be considered. In this paper, we calculated the load condition by wind using a combined blade elemental theory and a FEM based analytical approach was use to evaluate the fatigue strength of a Hub of wind turbine. The effect of tensile mean stress was taken into account by the modified Goodman diagram. Using this approaches, we evaluated the fatigue strength of hub and main shaft and improved the design.
In this study, aerodynamic characteristics of a horizontal axis wind turbine (HAWT) were evaluated and discussed in terms of measured data in existing onshore wind farm. Five wind turbines (T1, T2, T3, T4 and T5) were selected, and hub-height wind speed, $U_D$, wind turbine power output, P and turbine rotational speed, ${\Omega}$ data measured from these turbines were used for evaluation. In order to obtain characteristics of axial flow induction factor, a, power coefficient, $C_p$, thrust force coefficient, $C_T$, thrust force, T and tangential flow induction factor, a', Blade Element Momentum (BEM) theory was used. According to the results obtained, during a year, probability density of turbines at a rotational speed of 16.1 rpm was determined as approximately 45%. Optimum tip speed ratio was calculated to be 7.12 for most efficient wind turbine. Maximum $C_p$ was found to be 30% corresponding to this tip speed ratio.
This paper briefly discusses current issues in wind engineering, including the enhancement of aerodynamic database and AI-assisted design, aerodynamic characteristics of tall buildings with atypical building shapes, application of computation fluid dynamics to wind engineering, evaluation of aerodynamic force coefficients based on a probabilistic method, estimation of tornadic wind speed (JEF scale) and effect of the Ekman Spiral on tall buildings.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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