[논문 리뷰] An Examination of Rotational Effects on Large Wind Turbine Blades

Galih Bangga, Thorsten Lutz외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 11.

Wind Energy Research and Development참고 문헌 7인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 10MW AVATAR 블레이드에 대한 CFD 시뮬레이션을 통해 대규모 풍력 터빈 블레이드의 회전 효과를 조사한다. 일관된 유입 조건 하에서 블레이드의 내측 부위에서 증가한 항력 계수, 지연된 유동 분리 및 감소한 유동 뒷부분 영역을 통해 회전 증폭 효과를 입증하며, 대규모 풍력 에너지 응용 분야에서 허브 영역의 유동역학에 대한 핵심 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

CFD studies have been performed to demonstrate the effects of rotation on large wind turbine blades. The 10 MW blade of the Advanced Aerodynamic Tools for Large Rotors (AVATAR) project was selected in the present investigation. In order to demonstrate the rotational augmentation, lift coefficients of the blade sections were compared with the two-dimensional simulations at consistent inflow conditions. The increase of the lift coefficient was observed at the inboard section of the blade, showing the effect of rotation. A significant delay of separation point as well as a massive reduction of the wake size occur at the inboard blade section. The results of the present manuscript provide more information of the rotational augmentation occurring in the near hub region of wind turbine blades.

연구 동기 및 목표

• 고정밀 CFD 시뮬레이션을 활용해 대규모 풍력 터빈 블레이드의 회전 효과를 분석하기.
• 대규모 블레이드의 허브 근처 영역에서의 회전 증폭을 정량화하기.
• 일관된 유입 조건 하에서 정지 상태와 회전 상태의 블레이드 단면에서의 항력 계수를 비교하기.
• 유동 분리 및 유동 뒷부분 형성의 변화가 회전에 의해 어떻게 영향을 받는지 조사하기.
• 개선된 블레이드 설계 및 성능 예측을 위한 데이터 기반의 회전 효과 통찰 제공하기.

제안 방법

• 10MW AVATAR 블레이드에 대해 비정상적인 레이놀즈 평균 나비에-스토크스 방정식(URANS) CFD 시뮬레이션 수행하기.
• 회전 및 비회전 조건 모두에서 동일한 유입 조건을 적용하여 시뮬레이션 수행하기.
• 스패너에 따라 위치한 블레이드 단면에서 항력 계수를 포함한 단면별 유체역학 계수 추출하기.
• 내측 영역의 흐름장 특성, 예를 들어 분리점 및 유동 뒷부분 형성 분석하기.
• 회전하는 블레이드 시뮬레이션과 2차원 시뮬레이션 결과를 비교하여 회전 효과를 분리 분석하기.
• 회전 및 비회전 조건 간의 유효한 비교를 보장하기 위해 일관된 유입 조건 유지하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회전은 대규모 풍력 터빈 블레이드의 내측 부위에서 항력 계수 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 회전은 대규모 풍력 터빈 블레이드에서 유동 분리를 어느 정도 지연시킬 수 있는가?
• RQ3 대규모 블레이드의 허브 근처 영역에서 유동 뒷부분 크기 및 구조에 회전이 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 2차원 시뮬레이션과 3차원 회전 블레이드 시뮬레이션 간의 회전 효과는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 실제 유입 조건 하에서 블레이드의 내측 영역에서의 회전 증폭 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 회전 효과로 인해 블레이드의 내측 부위에서 항력 계수에 상당한 증가가 관찰되었다.
• 비회전 시뮬레이션 대비 회전 조건에서 내측 블레이드 부위에서 유동 분리가 지연되었다.
• 유동 뒷부분 크기가 회전 조건에서 상당히 감소하여 유동역학적 효율 향상이 확인되었다.
• 회전 증폭 효과는 허브 근처 영역에서 가장 두드러졌으며, 이는 블레이드 설계에서 중요성을 확인시켰다.
• 고정밀 시뮬레이션에서 대규모 풍력 터빈 블레이드의 경우 회전 효과를 간과할 수 없다는 것이 입증되었다.
• 연구 결과는 회전 효과가 내측 블레이드 부위에서 항력 및 유동 부착성 향상으로 이어져 유동역학적 성능 향상에 기여한다는 점을 확인하였다.