[논문 리뷰] Enhanced recovery and non-linear dynamics in the wake of a model floating offshore wind turbine submitted to side-to-side and fore-aft motion

Thomas Messmer, Michael Hölling외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 05. 20.

Fluid Dynamics and Vibration Analysis인용 수 5

한 줄 요약

이 실험적 풍동 연구는 해양 플랫폼에 고정된 부유식 오프쇼어 풍력 터빈의 조화 운동(측면-측면, 스웨이; 앞으로-뒤로, 서지)이 저공기 복구 및 비선형 역학에 미치는 영향을 조사한다. 결과적으로 두 운동 모두 저공기 복구를 가속화하며, 특히 스트라우할 수 St ∈ [0.3, 0.6] (스웨이) 및 St ∈ [0.3, 0.9] (서지) 범위에서 비선형 시공간 역학에 의한 동역학적 운반 능력 향상으로 인해 효과가 높다. 이는 동기화된 휘두름과 준주기적 펄스 현상과 같은 비선형 역학적 특성에 기인하며, 이는 하류 터빈의 에너지 수확 능력을 향상시킨다.

ABSTRACT

An experimental study in a wind tunnel is presented to explore the wake of a floating wind turbine subjected to harmonic side-to-side and fore-aft motions under laminar inflow conditions. The wake recovery is analysed as a function of the frequency of motion, measured by the Strouhal number, St. Our findings indicate that both directions of motion accelerate the transition to the far-wake compared to the fixed turbine. The experimental outcomes confirm the CFD results of Li et al. (2022) showing that sideways motions lead to faster wake recovery, especially for St in [0.3, 0.6]. Additionally, we find that fore-aft motions also lead to better recovery for St in [0.3, 0.9]. Moreover, we see that the recovery is closely linked to non-linear spatio-temporal dynamics. Special nonlinear dynamical effects are found in the shear layer region of the wake (y = R). For both directions of motion and St in [0.25, 0.55], the noisy wake dynamics synchronise to the frequency of the motion. For fore-aft motions and St in [0.55, 0.9], the wake shows more complex quasi-periodic phenomena. In fact, the driven frequency and a selfgenerated meandering mode emerge and interact non-linearly, as proved by occurring mixing components. Sideways motions result in large spatial structures of meandering. Fore-aft motions induce pulsing of the wake. Both modes are linked to the synchronisation effect. The quasi-periodic phenomena of fore-aft motions are connected to meandering mode. Overall, the spatio-temporal phenomena lead to faster recovery likely due to an increase of momentum transport towards wake centre.

연구 동기 및 목표

• 부유식 오프쇼어 풍력 터빈에서 조화 운동이 저공기 복구에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 비선형 시공간 역학이 저공기 진화 및 동역학적 운반에 미치는 역할을 분석하는 것.
• 측면-측면(스웨이) 및 앞으로-뒤로(서지) 운동이 저공기의 원거리 저공기 영역으로의 전이에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 운동 주파수(스트라우할 수)가 저공기 복구 및 난류 특성에 미치는 영향을 정량화하는 것.
• 관측된 동적 모드(휘두름, 펄스)가 향상된 운반 및 복구 속도와 어떻게 관련되어 있는지 규명하는 것.

제안 방법

• 압축성 흐름 조건 하에서 스케일 모형 부유식 오프쇼어 풍력 터빈(MoWiTO 0.6)을 사용한 풍동 실험.
• 다양한 주파수(St = 0.03에서 0.97)로 스웨이(측면-측면) 및 서지(앞으로-뒤로) 방향에 조절된 조화 운동을 적용.
• 저공기 저감도 프로파일을 하류 거리 x/D = 6, 8, 10에서 측정하여 복구 역학 분석.
• 운동 주파수 영향을 특성화하기 위해 비차원 수인 스트라우할 수(St = fD/U)를 핵심 매개변수로 사용.
• 비선형 역학적 분석을 통해 저공기 유동 내에서 동기화, 준주기적 행동 및 혼합 성분을 식별.
• 고정 터빈 기준과 운동 영향을 받은 경우를 비교하여 운동 유도 복구 향상 효과를 분리 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조화 운동에 의한 측면-측면 운동이 부유식 풍력 터빈 저공기의 복구 및 비선형 역학에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 앞으로-뒤로 운동은 고정 터빈 사례에 비해 저공기 복구를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 비선형 시공간 저공기 역학(예: 동기화 또는 준주기성)이 나타나는 스트라우할 수는 어느 범위인가?
• RQ4 동기화된 저공기 모드와 자가 생성된 휘두름이 상호작용하여 운반 및 복구에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 일관된 저공기 구조(휘두름, 펄스)와 저공기 복구 속도 간의 관계는 무엇인가?

주요 결과

• 스웨이 운동은 St ∈ [0.3, 0.6] 범위에서 저공기 복구를 크게 가속화하며, 특히 St ≈ 0.4에서 가장 높은 복구 효과를 보임.
• 서지 운동은 St ∈ [0.3, 0.9] 범위에서 복구를 향상시키며, St ≈ 0.8일 때 복구 정도가 St ≈ 0.4일 때보다 약 10% 높음.
• 스웨이 및 서지 운동 모두 St ∈ [0.25, 0.55] 범위에서는 광대역 저공기 역학이 구동 주파수와 동기화되어 일관된 반응을 나타냄.
• 서지 운동이 St ∈ [0.55, 0.9] 범위에서 구동 주파수와 자가 생성된 휘두름 모드 간의 상호작용으로 인해 복잡한 준주기적 현상이 발생하며, 스펙트럼 내 혼합 성분을 통해 확인됨.
• 스웨이 운동은 대규모 휘두름 구조를 유도하고, 서지 운동은 저공기 내 펄스 현상을 유발하며, 이는 모두 비선형 동기화와 함께 향상된 운반 능력과 관련됨.
• 최적의 운동 조건에서는 원거리 저공기 영역으로의 전이가 x ≤ 6D에서 발생하지만, 고정 터빈의 경우 약 x ≈ 10D에서 발생하므로, 동적 강제력에 의해 복구가 더 이르게 발생함.