The yaw and interference effects of blades affect aerodynamic performance of large wind turbine system significantly, thus influencing wind-induced response and stability performance of the tower-blade system. In this study, the 5MW wind turbine which was developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics (NUAA) was chosen as the research object. Large eddy simulation on flow field and aerodynamics of its wind turbine system with different yaw angles($0^{\circ}$, $5^{\circ}$, $10^{\circ}$, $20^{\circ}$, $30^{\circ}$ and $45^{\circ}$) under the most unfavorable blade position was carried out. Results were compared with codes and measurement results at home and abroad, which verified validity of large eddy simulation. On this basis, effects of yaw angle on average wind pressure, fluctuating wind pressure, lift coefficient, resistance coefficient,streaming and wake characteristics on different interference zone of tower of wind turbine were analyzed. Next, the blade-cabin-tower-foundation integrated coupling model of the large wind turbine was constructed based on finite element method. Dynamic characteristics, wind-induced response and stability performance of the wind turbine structural system under different yaw angle were analyzed systematically. Research results demonstrate that with the increase of yaw angle, the maximum negative pressure and extreme negative pressure of the significant interference zone of the tower present a V-shaped variation trend, whereas the layer resistance coefficient increases gradually. By contrast, the maximum negative pressure, extreme negative pressure and layer resistance coefficient of the non-interference zone remain basically same. Effects of streaming and wake weaken gradually. When the yaw angle increases to $45^{\circ}$, aerodynamic force of the tower is close with that when there's no blade yaw and interference. As the height of significant interference zone increases, layer resistance coefficient decreases firstly and then increases under different yaw angles. Maximum means and mean square error (MSE) of radial displacement under different yaw angles all occur at circumferential $0^{\circ}$ and $180^{\circ}$ of the tower. The maximum bending moment at tower bottom is at circumferential $20^{\circ}$. When the yaw angle is $0^{\circ}$, the maximum downwind displacement responses of different blades are higher than 2.7 m. With the increase of yaw angle, MSEs of radial displacement at tower top, downwind displacement of blades, internal force at blade roots all decrease gradually, while the critical wind speed decreases firstly and then increases and finally decreases. The comprehensive analysis shows that the worst aerodynamic performance and wind-induced response of the wind turbine system are achieved when the yaw angle is $0^{\circ}$, whereas the worst stability performance and ultimate bearing capacity are achieved when the yaw angle is $45^{\circ}$.
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.1
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pp.9-20
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2018
Due to integrated stochastic wind and wave loads, the supporting platform of a Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) has to bear six Degrees of Freedom (DOF) motion, which makes the random cyclic loads acting on the structural components, for instance the tower base, more complicated than those on bottom-fixed or land-based wind turbines. These cyclic loads may cause unexpected fatigue damages on a FOWT. This paper presents a study on short-term fatigue damage at the tower base of a 5 MW FOWT with a spar-type platform. Fully coupled time-domain simulations code FAST is used and realistic environment conditions are considered to obtain the loads and structural stresses at the tower base. Then the cumulative fatigue damage is calculated based on rainflow counting method and Miner's rule. Moreover, the effects of the simulation length, the wind-wave misalignment, the wind-only condition and the wave-only condition on the fatigue damage are investigated. It is found that the wind and wave induced loads affect the tower base's axial stress separately and in a decoupled way, and the wave-induced fatigue damage is greater than that induced by the wind loads. Under the environment conditions with rated wind speed, the tower base experiences the highest fatigue damage when the joint probability of the wind and wave is included in the calculation. Moreover, it is also found that 1 h simulation length is sufficient to give an appropriate fatigue damage estimated life for FOWT.
Wind-resistant design of existing cooling tower structures overlooks the impacts of rainfall. However, rainstorm will influence aerodynamic force on the tower surface directly. Under this circumstance, the structural response of the super-large cooling tower (SLCT) will become more complicated, and then the stability and safety of SLCT will receive significant impact. In this paper, surrounding wind fields of the world highest (210 m) cooling tower in Northwest China underthree typical wind velocities were simulated based on the wind-rain two-way coupling algorithm. Next, wind-rain coupling synchronous iteration calculations were conducted under 9 different wind speed-rainfall intensity combinations by adding the discrete phase model (DPM). On this basis, the influencing laws of different wind speed-rainfall intensity combinations on wind-driving rain, adhesive force of rain drops and rain pressure coefficients were discussed. The acting mechanisms of speed line, turbulence energy strength as well as running speed and trajectory of rain drops on structural surface in the wind-rain coupling field were disclosed. Moreover, the fitting formula of wind-rain coupling equivalent pressure coefficient of the cooling tower was proposed. A systematic contrast analysis on its 3D distribution pattern was carried out. Finally, coupling model of SLCT under different working conditions was constructed by combining the finite element method. Structural response, buckling stability and local stability of SLCT under different wind velocities and wind speed-rainfall intensity combinations were compared and analyzed. Major research conclusions can provide references to determine loads of similar SLCT accurately under extremely complicated working conditions.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2005.11a
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pp.955-958
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2005
In this study, the wind load characteristics for a transmission tower is investigated considering the effect of the transmission lines through stochastic analysis. The assemblage of the transmission line and insulator are modeled as a double pendulum system connected to the SDOF model of the tower It is observed that the background component of the overturing moment induced by the wind response of the transmission line has considerable portion in the total overturning moment. Based on this result, a rotational viscoelastic damper (VED) is proposed for the mitigation of the transmission line reactions, which act as wind load transferred to the tower. To verify the effectiveness of the proposed strategy, time history analysis is conducted for different wind velocities and VED damping constants. From the analysis, the proposed VED is proved to be effective for mitigation of the background component rather than the resonance component of the transmission line reaction.
Articulated towers are one of the class of compliant offshore structures that freely oscillates with wind and waves, as they are designed to have low natural frequency than ocean waves. The present study deals with the dynamic response of a double-pendulum articulated tower under hydrodynamic and aerodynamic loads. The wind field is simulated by two approaches, namely, single-point and multiple-point. Nonlinearities such as instantaneous tower orientation, variable added mass, fluctuating buoyancy, and geometrical nonlinearities are duly considered in the analysis. Hamilton's principle is used to derive the nonlinear equations of motion (EOM). The EOM is solved in the time domain by using the Wilson-θ method. The maximum, minimum, mean, and standard deviation and salient power spectral density functions (PSDF) of deck displacement, bending moment, and central hinge shear are drawn for high and moderate sea states. The outcome of the analyses shows that tower response under multiple-point wind-field simulation results in lower responses when compared to that of single-point simulation.
Recently, as the global warming by fossil fuels and the steep rise of the oil price become social issues, the interest for renewable energy producing system is increasing rapidly. Among these, the wind turbine is most highlighted because of its economic competitiveness. The tower is one of the main components of wind turbine, which occupying about 20% of overall turbine costs. The tower access door located to base part of the tower, is used to enter the tower. This is the main structural weak points because of door hole, weldment, etc. And so are the weldments between the cans and the flanges. In this study, for the top flange part of the tower, by FEM using ANSYS, we retrieved the maximum von Mises stress on that and carried out fatigue analysis using stresses at such weak points.
This paper presents a failure type assessment curve method to judge the failure type of transmission tower segments. This novel method considers the equivalent static wind load characteristics and the transmission tower members' load-bearing capacities based on numerical simulations. This method can help judge the failure types according to the relative positions between the actual state points and the assessment curves of transmission tower segments. If the extended line of the actual state point intersects with the horizontal part's assessment curve, the segment would lose load-bearing capacity due to the diagonal members' failure. Another scenario occurs when the intersection point is in the oblique part, indicating that the broken main members have caused the tower segment to fail. The proposed method is verified by practical engineering case studies and static tests on the scaled tower segments.
Ke, S.T.;Du, L.Y.;Ge, Y.J.;Yang, Q.;Wang, H.;Tamura, Y.
Wind and Structures
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v.27
no.1
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pp.11-27
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2018
The straight-cone steel cooling tower is a novel type of structure, which has a distinct aerodynamic distribution on the internal surface of the tower cylinder compared with conventional hyperbolic concrete cooling towers. Especially in the extreme weather conditions of strong wind and heavy rain, heavy rain also has a direct impact on aerodynamic force on the internal surface and changes the turbulence effect of pulsating wind, but existing studies mainly focus on the impact effect brought by wind-driven rain to structure surface. In addition, for the indirect air cooled cooling tower, different additional ventilation rate of shutters produces a considerable interference to air movement inside the tower and also to the action mechanism of loads. To solve the problem, a straight-cone steel cooling towerstanding 189 m high and currently being constructed is taken as the research object in this study. The algorithm for two-way coupling between wind and rain is adopted. Simulation of wind field and raindrops is performed with continuous phase and discrete phase models, respectively, under the general principles of computational fluid dynamics (CFD). Firstly, the rule of influence of 9 combinations of wind sped and rainfall intensity on flow field mechanism, the volume of wind-driven rain, additional action force of raindrops and equivalent internal pressure coefficient of the tower cylinder is analyzed. On this basis, the internal pressures of the cooling tower under the most unfavorable working condition are compared between four ventilation rates of shutters (0%, 15%, 30% and 100%). The results show that the 3D effect of equivalent internal pressure coefficient is the most significant when considering two-way coupling between wind and rain. Additional load imposed by raindrops on the internal surface of the tower accounts for an extremely small proportion of total wind load, the maximum being only 0.245%. This occurs under the combination of 20 m/s wind velocity and 200 mm/h rainfall intensity. Ventilation rate of shutters not only changes the air movement inside the tower, but also affects the accumulated amount and distribution of raindrops on the internal surface.
To get more realistic wind turbine torque characteristic, it is important to consider many parameters about wind turbine system. One of them is the tower effect which is occurred when a blade is bypassing the wind turbine tower and influences shaft torque fluctuation. In this paper, to emulate the similar torque performance of wind turbine, the wind turbine simulation and experiment with torque fluctuation by blade tower effect are implemented and verified. The simulation model is based on MATLAB Simulink.
Articulated tower platforms due to its compliant nature are more susceptible to the dynamic effects of wind than conventional fixed platforms. Dynamic response analysis of a double hinged articulated tower excited by low frequency wind forces with random waves is presented in this paper. The exposed super structure of the platform, housing the drilling and production facilities is subjected to mean and fluctuating wind loads, while the submerged portion is acted upon by wind driven waves. The fluctuating component of the wind velocity is modeled by Emil Simiu's spectrum, while the sea state is characterized by Pierson-Moskowitz spectrum. Nonlinearities in the system due to drag force, added mass, variable submergence and instantaneous tower orientation are considered in the analysis. To account for these nonlinearities, an implicit time integration scheme (Newmark's-${\beta}$) has been employed which solves the equation of motion in an iterative fashion and response time histories are obtained. The power spectra obtained from random response time histories show the significance of low frequency responses.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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