The design process of a wind turbine blade requires accurate, reliable and robust numerical predictions of wind turbine rotor performance for the machine's full range of operating conditions. Also, the accurate prediction of the aerodynamics of Horizontal-axis wind turbines(HAWT) poses a significant challenge. In this paper, numerical simulation of unsteady flow fields around a HAWT and the investigation of the aerodynamic interference between blades and other components, such as hub, nacelle, tower and wall effect, were conducted. Comparisons have been made against data obtained during Phase VI of the NREL Unsteady Aerodynamics Experimental and against data existing numerical data for a range of wind conditions.
The incompressible Reynolds-averaged Navier-Stokes flow solver were discretized using vertex-centered finite-volume method. The inviscid flux terms were calculated using Roe's flux-difference splitting scheme, and the viscous flux terms were computed by adopting a modified central differencing. An implicit time integration algorithm based on the linearized second-order Eueler backward difference was used to advanced the solution in time. The flow solver was fully parallelized by adopting a domain decomposition strategy to reduce the computational time and memory. Unstructured overset mesh technique was adopted for the simulation the unsteady time accurate wind turbine motion.
Calculations were done for a range of wind conditions from 7m/s to 25m/s where the flow conditions ranged from attached flow to massively separated flow. Computed results are compared with measurements in the form of aerodynamic coefficients, pressure distribution as function of wind speed. The results from the computations for these cases showed the overall best agreement with the experimental measurements. The objectives of the current work are to validate the in-house Navier-Stokes flow solver on the 2-bladed NREL Phase VI wind turbine rotor dataset, and to figure out the aerodynamic interference between blades and other components. The Navier-Stokes method demonstrates a significant capability in predicting the aerodynamic loads by solving the flow around a wind turbine.
풍력 터빈의 설계 과정은 구동 조건의 모든 구간에 걸쳐 수치적으로 정확하고 신뢰성있고 강건한 예측을 필요로 한다. 또한 수평축 풍력 터빈의 정확한 공기역학적 해석은 아주 중요한 문제가 된다. 본 연구에서는 수평축 풍력 터빈 주위의 비정상 유동장을 수치적으로 해석하고 허브와 nacelle과 같은 블레이드 주변 장착물과의 공기역학적 간섭 현상에 대한 연구를 수행하였다. NREL Phase VI rotor의 비정상 공기역학적 실험 결과와 수치 해석 결과를 구동 속도에 따라 비교하였다.
비압축성 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 격자 중심 방법의 유한체적법으로 이산화하였다. 비점성 플럭스는 공간에 대한 이차 정확도의 Roe의 평균값을 이용한 FDS를 이용하여 계산하였으며, 점성 플럭스는 중심 차분 방법을 이용하여 계산하였다. 시간적분을 위해 내재적 시간 적분 방법인 2차 Euler 후방 차분법을 사용하였다. 계산 시간의 절감과 메모리의 한계를 극복하기 위해 유동 해석 코드를 병렬화하였으며, 풍력 터빈의 상대적 운동을 정확하게 모사하기 위해 비정렬 중첩 격자 기법을 사용하였다.
블레이드 표면에서 완전 부착과 박리가 일어나는 7~25m/s의 구동 속도를 가질 경우에 대하여 계산을 수행하였다. 공력 하중 계수와 표면 압력 계수를 구하여 계산 결과를 실험결과와 비교하였으며, 수치 해석 결과는 전체적으로 실험 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 본 논문의 목적은 Navier-Stokes 방정식을 적용한 해석 코드를 사용하여 NREL Phase VI 풍력 터빈 유동장을 해석하고, 또한 blade와 주변 장착물의 간섭 현상에 대하여 알아보는 것이다.
