Molecular Dynamics Investigation on Thermal Conductivity and Photon Behaviors of Graphene With Sierpinski Carpet Fractal Defects

The thermal conductivity (TC) of graphene with Sierpinski carpet fractal (SCF) and regular carpet (RC) defects is numerically studied by the non-equilibrium molecular dynamics (NEMD) method. The influences of porosity, fractal levels, and types of defects on the TC of graphene are clarified, and the underlying mechanisms of phonon behaviors are uncovered. The numerical results indicate that the defects in graphene induce the atoms that have the heat transfer blockage effect, and thus, the TC of defective graphene decreases with increasing porosity. With the increase in fractal levels, more atoms have the heat transfer blockage effect, which induces the TC of graphene with SCF defects to sharply decrease. Moreover, compared with the graphene with RC defects, more atoms participate in the heat transfer blockage under the graphene with SCF defects, which leads to the lower TC of graphene with SCF defects.

Einflüsse von unterschiedlichen atmosphärischen Bedingungen auf die Induction Zone von Windturbinen

<p>Beim Betrieb einer Windkraftanlage wird die Windgeschwindigkeit bereits vor dem Rotor durch den Vorstaueffekt im Vergleich zur freien Strömung abgebremst.  Dieser Bereich wird als sogenannte „Induction Zone “ (IZ) bezeichnet.  Besondere Bedeutung bekommt dieser Effekt bei großen Offshore Windparks, wenn sich die IZ mehrerer Turbinen überlagern und es zur Ausbildung des „Global Blockage Effect“ (GBE) kommt und die Strömung noch stärker abgebremst wird als für Einzelanlagen.</p> <p>Ausprägung und Stärke der IZ hängen von atmosphärischen Bedingungen wie auch technischen Parametern der Windturbinen ab.  Am besten kann die IZ mittels Fernerkundungsmethoden wie Lidar vermessen werden, da es so möglich ist, die Einströmbedingungen in verschiedenen Distanzen vor dem Rotor bis in den Bereich der freien Anströmung hin zu erfassen. Dies ist insbesondere wichtig, da bei der Beurteilung der Performance von Windkraftanlagen, der sogenannten Leistungskurvenvermessung, das Verhältnis zwischen freier Windgeschwindigkeit und produzierter Leistung bewertet wird. Hierfür wird standardmäßig die Windgeschwindigkeit in 2.5 Rotordurchmessern vor der Anlage als freie Geschwindigkeit angesetzt.</p> <p>Für die hier gezeigten Auswertung werden verschiedene Messungen in der IZ On- und Offshore betrachtet. Neben Sensitivitätsstudien zur Leistungskurvenvermessung wird auch untersucht, wie sich die Strömungseffekte um eine Anlage herum entwickeln, wie die relevanten Parameter zur Strömungsmodellierung angepasst werden können und wie der Nachlauf von benachbarten Turbinen die Ausprägung der IZ beeinflussen kann. Darüber hinaus wird auch der Einfluss der Oberflächenrauigkeiten im Vergleich der Onshore und Offshore Standorte betrachtet. Ein weiterer Punkt ist der Vergleich mit den standardmäßig auf den Gondeln installierten Anemometern, die über eine sogenannte „Nacelle Transfer Function“ (NTF) auf eine reale, freie Windgeschwindigkeit skaliert sein sollten.</p> <p>Bei der Onshore Kampagne ermöglicht ein großer, freier Anströmsektor die ungestörte IZ und damit die Einflüsse von atmosphärischer Stabilität, Turbulenz und Turbinenzustand auf den Geschwindigkeitsgradienten zu untersuchen. Weiterhin gibt es Perioden mit klar definierten Windrichtungen, in denen der Nachlauf von einer oder mehreren Turbinen und somit der Einfluss auf das horizontale Profil  isoliert werden kann.</p> <p>Bei der Offshore Kampagne findet die Messungen bereits innerhalb der GBE Zone statt.  Es werden neben den Messungen mit Gondellidaren auch Lidar-Scanner im Dual Doppler Verfahren eingesetzt, um Gradienten aus größeren Entfernungen und die Bereiche der freien Anströmung zu erfassen. Hierfür ist auch interessant, wie sich die Korrelationen mit dem Geschwindigkeitsfeld direkt vor dem Rotor für die unterschiedlichen Stabilitäts- und Anströmbedingungen ändern.</p> <p>Die vorgestellten Messungen zeigen für alle Standorte, dass sich die IZ weit über 2.5 Rotordurchmesser stromaufwärts erstreckt. Eine Abschätzung der Leistungskurve kann somit auf zu geringen Windgeschwindigkeiten basieren und zu energiereicheren Kurven führen, als tatsächlich vorliegen. Verschiedene Sensitivitätstests zeigen die Stärke dieses Effekts. Die Kombination aus Daten von Gondel- und Long-Range-Lidargeräten wird hier erstmalig zur Modellverifikation und zur Modellierung des GBE angewendet.</p>

Flow around a Rectangular Cylinder Placed in a Channel with a High Blockage Ratio under a Subcritical Reynolds Number

With the depletion of fossil energy sources, clean energy has become a growing concern for scholars. Vortex-Induced Vibration Aquatic Clean Energy (VIVACE), a device that uses water flow energy to generate electricity, has attracted much attention for its broad applicability and other advantages. Particle Image Velocimetry (PIV) experiments were conducted to improve the efficiency of the VIVACE device in low-velocity areas. The present study investigated the effects of the Blockage ratio (Br), Reynolds number (Re = ρU0D/μ), and Aspect ratio (Ar = B/D, width-to-height) of rectangular cylinders on flow characteristics. The influence of the Ar, Br, and Re on the flow field structure was systematically analyzed in terms of the time-averaged flow field, Reynolds shear stress, space–time correlation, vorticity field, and water pressure characteristics. The vorticity field was deconstructed by Proper Orthogonal Decomposition (POD). The results show that the first two orders of POD modal energy accounted for 75% of the total energy, indicating that the first two modes can be used to identify the large-scale vortex structure. The main water pressure frequency and vortex shedding frequency (f) had a high degree of consistency. Thus, vortex shedding was the main cause of wall water pressure fluctuations. Given the blockage effect, the shear layer’s development spanwise was restricted. Moreover, the blockage effect increased the local flow velocity and accelerated the vortex shedding. The dimensionless time-averaged flow velocity U/U0 increased to 1.5, and the frequency of vortex shedding increased by approximately 25% when the Br increased from 0.067 to 0.25. The frequency increased by 25% when the Ar decreased from 0.5 to 0.2. The experimental results also provide a new idea for optimizing the VIVACE device.

Interaction between the Standard and the Measurement Instrument during the Flow Velocity Sensor Calibration Process

The complex ventilation system development process is associated with the stages of modelling, design, execution, and testing. Each of these steps requires the use of measuring equipment that is capable of determining the basic parameters of the flow. In the process of calibrating instruments for measuring flow velocity, one of the limitations is the size of the calibrated devices positioned in the test section of the wind tunnel. This is related to the change in the flow condition within the vicinity of the calibrated anemometers, which is caused by the blockage effect. Instruments with significant dimensions in relation to the cross-sectional area of the wind tunnel test section may have an impact on the reference velocity as indicated by the standard. In such cases, the calibration results may be affected by additional systematic error. This article presents a study of this effect using a real case of a calibration laboratory and commonly used sensors. The influence of different types of air velocity sensors on velocity profiles in the measurement standard area is also investigated. Additionally, the area of the blockage effect is described. The obtained results indicate the possibility of a proper placement for the measuring standard due to minimization of the flow-blocking effect.

Performance and wake characteristics of tidal turbines in an infinitely large array

The efficiency of tidal stream turbines in a large array depends on the balance between negative effects of turbine-wake interactions and positive effects of bypass-flow acceleration due to local blockage, both of which are functions of the layout of turbines. In this study we investigate the hydrodynamics of turbines in an infinitely large array with aligned or staggered layouts for a range of streamwise and lateral turbine spacing. First, we present a theoretical analysis based on an extension of the linear momentum actuator disc theory for perfectly aligned and staggered layouts, employing a hybrid inviscid-viscous approach to account for the local blockage effect within each row of turbines and the viscous (turbulent) wake mixing behind each row in a coupled manner. We then perform large-eddy simulation (LES) of open-channel flow for 28 layouts of tidal turbines using an actuator line method with doubly periodic boundary conditions. Both theoretical and LES results show that the efficiency of turbines (or the power of turbines for a given bulk velocity) in an aligned array decreases as we reduce the streamwise turbine spacing, whereas that in a staggered array remains high and may even increase due to the positive local blockage effect (causing the local flow velocity upstream of each turbine to exceed the bulk velocity) if the lateral turbine spacing is sufficiently small. The LES results further reveal that the amplitude of wake meandering tends to decrease as we reduce the lateral turbine spacing, which leads to a lower wake recovery rate in the near-wake region. These results will help to understand and improve the efficiency of tidal turbines in future large arrays, even though the performance of real tidal arrays may depend not only on turbine-to-turbine interactions within the array but also on macro-scale interactions between the array and natural tidal currents, the latter of which are outside the scope of this study.