[논문 리뷰] NREL Phase VI wind turbine in the dusty environment

J. Zare, Seyed Ehsan Hosseini외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 13.

Wind Energy Research and Development인용 수 14

한 줄 요약

입자 공기와 라그랑지–오일러 멀티페이즈 모델을 사용한 수치 연구로, 먼지 공기가 NREL Phase VI 풍력 터빈에 미치는 영향을 평가하고, 성능 저하를 보여주며 다양한 먼지 입자 크기에 따른 출력 감소를 정량화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• NREL Phase VI 터빈에 대한 맑은 공기 실험 데이터와 수치 해석 방법을 검증한다.
• 라그랑지–오일러 멀티페이즈 프레임워크를 채택하여 로터 공기역학에 대한 먼지 공기 효과를 시뮬레이션한다.
• 풍속(5–25 m/s), 먼지 입자 직경(0.025–0.9 mm), 공격각(0–44°)이 성능에 어떤 영향을 주는지 조사한다.
• 먼지가 흐름장, 양력/항력, 경계층 거동에 미치는 변화를 특성화하여 출력 손실을 설명한다.

제안 방법

• 터빈에 대한 맑은 공기 실험 데이터와 수치 모델의 일치를 확인한다.
• 라그랑지–오일러 멀티페이즈 프레임워크를 채택하여 먼지 공기가 로터 블레이드와 상호 작용하는 것을 시뮬레이션한다.
• 풍속(5–25 m/s), 먼지 입자 직경(0.025–0.9 mm), 공격각(0–44°)을 체계적으로 변화시킨다.
• 양력, 항력, 압력 분포, 경계층 분리 등 공기역학 계수와 흐름장을 분석한다.
• 먼지로 인한 흐름 수정이 전력 출력 손실로 어떻게 번역되는지 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 먼지가 낀 공기가 깨끗한 공기에 비해 NREL Phase VI 터빈의 공기역학적 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 먼지 입자 크기, 풍속, 공격각이 양력, 항력, 전력 출력에 어떤 상호 작용을 나타내는가?
• RQ3 먼지에서 흐름장 메커니즘(압력 차이, 경계층 거동, 재순환)이 성능 변화에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 터빈 성능은 일반적으로 먼지 조건에서 악화된다.
• dp = 0.05 mm일 때 전력은 평균적으로 4.3% 감소하고 dp = 0.9 mm일 때는 13.3% 감소한다.
• 먼지는 주로 dp > 0.1 mm 및 포스트 스톨 조건에 영향을 주며 더 큰 영향을 미친다.
• 입자는 흡입면/압력측 압력 차를 감소시키고 경계층 분리를 앞당기며 재순환 영역을 강화하여 흐름장을 수정한다.
• 이러한 흐름 변화는 양력 계수를 낮추고 항력 계수를 높인 결과를 낳는다.