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Fundamental Study on Flutter Generation System using Rectangular Sections
마츠모토 마사루,김희덕,박종화,조병완,김기남,서주원 한국풍공학회 2009 한국풍공학회지 Vol.13 No.1
Since the flutter instability is one of the divergent oscillations, its onset may directly induce the structural collapse. Therefore, many researches have been conducted to stabilize this destructive oscillation. On the other hand, researches of extracting the wind energy from flutter phenomenon have been performed from the viewpoint of positively utilizing the flutter phenomenon due to its high efficiency of power generation. In the previous study, the author examined the applicability of rectangular section having the side ratio, B/D of 20 to the power generation focusing on the amplitude ratio between heaving and torsional oscillations, which is based on the heaving branch mechanism of 2-dof coupled flutter. This paper examines the fundamental efficiency of flutter generation system using the rectangular sections with the side ratios, B/D of 5 and 20. The experimental and numerical investigations are performed to assess the influence of various aerodynamic parameters such as the directions of forced oscillation, the ratios of the forced frequency to the natural frequency, and the aerodynamic derivatives of rectangular sections on the efficiency of flutter generation system.
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구형단면을 이용한 플러터 발전시스템에 관한 기초적인 연구
마츠모토 마사루,김기남,서주원,김희덕,박종화,조병완 한국풍공학회 2009 한국풍공학회지 Vol.13 No.1
발산진동인 플러터의 발현은 구조물의 붕괴와 직결되기 때문에, 기존의 대부분의 연구들은 이러한 파괴적인 진동현상을 안정화하는데 초점을 두어왔다. 한편, 고효율의 전력생산의 관점에서는 플러터 현상을 적극적으로 이용하여 풍력에너지를 추출하는 연구들도 수행되어 왔다. 본 연구에서는 변장비 5, 20의 구형단면을 이용하여 플러터 발전 시스템의 기본적인 효율성을 검토하였다. 풍동실험 및 해석적인 접근방법을 통해, 2차원 단면의 가진방향, 가진진동수와 고유진동수의 비, 비정상공기력 계수 등의 변수가 플러터 발전시스템의 효율성에 미치는 영향을 분석하였다. Since the flutter instability is one of the divergent oscillations, its onset may directly induce the structural collapse. Therefore, many researches have been conducted to stabilize this destructive oscillation. On the other hand, researches of extracting the wind energy from flutter phenomenon have been performed from the viewpoint of positively utilizing the flutter phenomenon due to its high efficiency of power generation. In the previous study, the author examined the applicability of rectangular section having the side ratio, B/D of 20 to the power generation focusing on the amplitude ratio between heaving and torsional oscillations, which is based on the heaving branch mechanism of 2-dof coupled flutter. This paper examines the fundamental efficiency of flutter generation system using the rectangular sections with the side ratios, B/D of 5 and 20. The experimental and numerical investigations are performed to assess the influence of various aerodynamic parameters such as the directions of forced oscillation, the ratios of the forced frequency to the natural frequency, and the aerodynamic derivatives of rectangular sections on the efficiency of flutter generation system.
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POD를 이용한 구조기본단면 주변 비정상흐름장 특성에 관한 연구
이재형,마츠모토 마사루,Lee, Jae-Hyung,Matsumato, Masaru 한국강구조학회 2008 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.20 No.6
본 연구에서는 구조적 기본단면인 사각단면중에서 B/D=2,3,4,5 단면을 대상으로 단면주위 흐름상태가 단면의 공기력 특성에 미치는 영향을 살펴보고, 정지/진동하는 B/D=4 사각실린더 주위의 비정상압력장에 POD해석을 도입함으로써 흐름패턴에 따른 POD해석의 고유벡터를 규정하고 실린더 주위 흐름장 안에 공존하는 서로 다른 흐름패턴의 상호간섭과 물리적 모드분해에 관하여 검토하였다. POD해석의 고유벡터 비교를 통해서 칼만와류는 박리버블에 의해서 거의 영향받지 않지만 칼만와류는 단면후류부에서 박리버블의 발달에 상당히 간섭하고 있음을 확인하 였다. 변장비(B/D=2,34,5) 변화에 따른 ${dC_L/d\alpha}$, ${H_1^{*}}$의 정(+)부(-)의 차이, 즉 갤로핑현상에 대한 안정/불안정성은 박리전단층의 재부착에 깊은 관련이 있는 것으로 판단되며 B/D=3,4에서 시간평균적으로 재부착하던 주위흐름장이 칼만와류의 방출을 제어하면 재부착하지 않는 것으로 생각된다. 즉, 칼만와류의 억제는 후류부에서 박리전단층의 곡률이 작아지도록 간섭하고 단면에 있어서 elongation효과를 나타낸다. In this study, the effect of an unsteady flow field around a body of aerostatic/aerodynamic forces were investigated using rectangular cylinders (B/D = 2, 3, 4, 5). Proper orthogonal decomposition (POD) was introduced to the analysis of the fluctuating pressure field that was measured on the stationary/oscillatory B/D=4 rectangular cylinder, and the characteristics of the proper functions with flow patterns were identified. In addition, the physical decoupling and interactions in the different co-existing flow patterns were investigated through POD. The comparison with the identified proper function associated with a particular flow pattern revealed that the Karman vortex is almost not affected by the separation bubble, but that the Karman vortex considerably interferes in the development of the separation bubble around the trailing edge. It can be considered that the Karman vortex induces the increment of the curvature of the substantial separated flow.
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사각단면 원주의 공기력에 미치는 칼만 와류의 영향에 관한 연구
이재형,김윤석,마츠모토 마사루 한국풍공학회 2006 한국풍공학회지 Vol.10 No.2
In this study, a series of wind tunnel tests were carried out to understand the complicated bluff body aerodynamics affected by Karman vortex on 2D rectangular cylinders with various side ratios, B/D=0.3~15. Based upon the aerostatic coefficients and aerodynamic derivatives of rectangular cylinders measured from experiments, the effects of the Karman vortex on the bluff body aerodynamics, especially paying attention to the galloping instability, are investigated. For mitigation of Karman vortex, a splitter plate with suitable size was installed in a wake center. By the installation of a splitter plate, the sharp peak in CD -B/D (B: along-wind length, D: cross-flow length) diagrams of stationary drag force was completely disappeared. Also, the value of dCL/dα(0°) was significantly sensitive to the Karman vortex, in particular, even its sign was changed in the range of B/D=0.6 to B/D=0.7 and B/D=3.0 to B/D=4.0, which means the marked role of the Karman vortex on the galloping instability based upon the quasi-steady theory. Furthermore, the flutter derivatives were also drastically affected by Karman vortex in the rather wide range of reduced velocity. In summary, it is considered that the substantial bluff body flow, which is not affected by Karman vortex, can be characterized by the side ratio of cylinders, and the interference of the Karman vortex on the fundamental flow depends on the side ratios of cylinders. 본 연구에서는bluff body의 공기역학적 진동현상들에 대한 칼만와류(Karman vortex)의 간섭현상를 이해하기 위해서 구조적 기본단면인 사각단면(B/D=0.3~15)을 대상으로 정적공기력계수와 플러터계수를 일련의 정적실험과 강제가진실험을 통하여 구하였다. 실험에서는 splitter plate를 단면 후류부에 삽입함으로써 칼만와류의 방출을 억제, 칼만와류로부터 간섭받지 않는 상태의 주위유동 특성을 파악할 수 있었다. 또한 splitter Plate의 유무에 따른 실험결과의 비교연구는 이전에 발표된 다른 연구결과들과 잘 일치했으며 특히 갤로핑현상과 관련된 준정상이론에 근거한dCL/dα의 변화와H1*의 변화를 중심으로 bluff body 주위의 흐름내에서 칼만와류의 간섭을 파악하였다. 결론적으로 B/D=3,4 단면에서 시간평균적으로 단면 측면에 재부착하던 흐름이 splitter plate의 삽입으로 칼만와류의 방출을 억제하면 전연에서 박리한 흐름이 재부착하지 않음으로써 갤로핑현상이 관찰되었다. 즉 칼만와류의 억제는 전단박리층의 곡율을 늘임으로써 재부착점을 연장시키는 것으로 판단된다.
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