[論文レビュー] NREL Phase VI wind turbine in the dusty environment

J. Zare, Seyed Ehsan Hosseini+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

Wind Energy Research and Development被引用数 14

ひとこと要約

ラグランジュ–オイラーの多相モデルを用いた数値研究により、ほこりを含む空気が NREL Phase VI ウインドタービンに与える影響を評価し、性能劣化を示し、さまざまなほこり粒子サイズに対する出力低下を定量化する。

ABSTRACT

The meteorological conditions markedly affect the energy efficiencies and cost/power rate of the wind turbines. This study numerically investigates the performance of the National Renewable Energy Laboratory (NREL) Phase VI wind turbine, designed to be insusceptible to surface roughness, undergoing either clean or dusty air. First, the numerical approach is validated against the available experimental data for clean air. Following this, the model is developed into a Lagrangian-Eulerian multiphase approach to comprehensively analyze the effects of the dusty air. The dependence of aerodynamic performance on the wind speed (= 5-25 m/s), particle diameter dp (= 0.025-0.9 mm) and angle of attack (= 0o-44o) is investigated. It is found that the turbine performance generally deteriorates in dusty conditions. But it becomes relatively acute for dp > 0.1 mm and post-stall state. As such, the generated power is reduced by 4.3% and 13.3% on average for the air with the dp = 0.05 and 0.9 mm, respectively. The particles change the flow field profoundly, declining the pressure difference between the suction/pressure sides of the blade-airfoil, advancing the boundary layer separation, and strengthening the recirculation zones. The above changes account for a lower lift coefficient and higher drag coefficient.

研究の動機と目的

• NREL Phase VI タービンのクリーンエア実験データに対して数値法を検証する。
• ラグランジュ–オイラーの多相モデルを開発し、ほこりを含む空気がローターの空力に与える影響を捉える。
• 風速(5–25 m/s)、粒子径(0.025–0.9 mm)、迎角(0–44°) が性能に与える影響を調べる。
• ほこりが流れ場、揚力/抗力、および境界層の挙動をどのように変化させ、出力損失を説明するかを特徴づける。

提案手法

• タービンのクリーンエア実験データを用いて数値モデルを検証する。
• ラグランジュ–オイラーの多相フレームワークを採用し、ローター翼と相互作用するほこりを含む空気をシミュレートする。
• 風速(5–25 m/s)、ほこり粒子径(0.025–0.9 mm)、迎角(0–44°)を体系的に変化させる。
• 揚力・抗力・圧力分布、境界層の分離を含む、空力係数と流れ場の変化を解析する。
• ほこりによる流れの変化が出力損失にどのように結びつくかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ほこりを含む空気はクリーンエアと比較して、NREL Phase VI タービンの空力性能にどのような影響を与えるか。
• RQ2 ほこり粒子サイズ、風速、迎角はどのように相互作用して揚力、抗力、および総合的な出力を変化させるか。
• RQ3 流れ場のメカニズム（圧力差、境界層の挙動、再循環）は、ほこりによる性能変化をどのように駆動するか。

主な発見

• ほこりがある条件ではタービン性能は一般に劣化する。
• dp = 0.05 mm で4.3%、dp = 0.9 mm で平均13.3%の出力低下。
• ほこりは主に dp > 0.1 mm で影響し、スタール後の条件でより強く影響する。
• 粒子は流れ場を変化させ、吸込み側と圧力側の圧力差を低減させ、境界層の分離を進行させ、循環域を強化する。
• これらの流れの変化は揚力係数の低下と抗力係数の上昇をもたらす。