Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) is currently dominating the onshore wind energy market. HAWT has remained a popular choice to the engineers due to its higher aerodynamic efficiency than other wind turbine configurations. Now the policy makers are thinking to harness wind energy from offshore. The technology of extracting offshore wind energy is still in a preliminary level. In the recent years some popular and economical concepts like Floating Axis Wind Turbine (FAWT) has been developed. Maintaining an upright position on floating axis base would not be economically feasible. As HAWT is known to respond negatively in yawed flow or tilted flow condition, it could not be a reliable choice for offshore application. That is why some scientists are considering Vertical Axis Wind Turbine (VAWT). The primary goal of this thesis to numerically validate an existing experimental work of VAWT in upright and tilted conditions by comparing power co-efficient. The numerical validation is carried out by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) and a comparative analysis of VAWT in upright and tilted condition is drawn. CFD analysis of VAWT requires solving Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) equation. Upon reviewing the existing literatures regarding VAWT, it has been found that, there has not been any study regarding the choice of parameters for solving URANS equation like turbulence model, mesh dependency and time step in three dimension. Although, there are some works in two dimension, the three dimensional affect like tip vortices will be dominant in case of low aspect ratio turbine and hence could not be ignored. As this thesis is dealing with a low aspect ratio turbine and three dimensional CFD analysis of VAWT is computationally expensive, choosing the right parameters at the beginning of the research is very important. Therefore a thorough and rigorous parametric study is comprehended. After choosing the right parameters, validation is done. Following that the flow fields of upright and tilted conditions are visualized. Flow phenomenon like blade-vortices dynamics, influence of pressure in wake are discussed. The aerodynamic loads on VAWT will act as a structural load on the floating base of FAWT. That is why the effects of aerodynamic loads in upright and tilted condition on VAWT in steady condition are comparatively analyzed.
수직과 기울어 진 상태에서의 수직축 풍력발전기에 대한 전산유체해석을 완료하고 URNS 식을 풀어서 비교해 보았다. 초기 연구 단계에서, 3차원 난류 모델, 메쉬 종속성, 타당성 등의 정확한 파라메터를 찾기 위해 파라메터 연구를 수행하였다. 연구의 본질을 위해, 3차원 CFD 분석이 요구된다. 파라 메트릭 테스트를 수행하는 동안, 3차원 CFD해석에 높은 코스트가 고려된다. 그 이유는 Large Eddy simulation(LES), Direct Numerical Simulation(DNS)가 제거되기 때문이다. 그리고 난류모델인 SST K-omega, RNG k-epsilon and Spalart-Allmaras 가 시험되었다. 그 결과 SST K-omega 모델이 최적의 난류 모델로 선택했다. 최적의 매개 변수를 찾은 후, 유효성 검증은 Power-Coefficient의 비교를 통해 검증했다. 특정 각도 범위에서, 기울어 진 형상의 풍력발전기의 성능이 수직상태에서의 성능보다 더 좋다는 것을 발견하였다. 주요 원인은 기울어 지면서 증가하는 풍력발전기의 면적이다. 또한 기울어진 상태에서 더 높은 토크를 발생시키는 것도 관찰하였다. 이 연구를 통해 수직상태보다 기울어진 상태에서 더 많은 양의 공기를 날개가 받아 들인다는 사실을 알 수 있다. 이 사실을 조사하기 위해서, 직립상태와 경사진 상태의 형상에 대한 유동장을 가시화를 수행하였다. 날개 끝 부분이 큰 후류를 발달 시키는 것을 관찰할 수 있었다. 그러나 직립상태의 형상에서는 이러한 현상은 관찰되지 않았다. Azimuthal angle 에 대한 와류 평가가 논의 되었다. 와류의 형식은 날개의 압력이 큰 부분과 작은 부분의 압력차이에 영향을 받는다. Wake Dynamcis 또한 고려되었다. 이 연구는 해상 VAWT(수직축 풍력발전기)를 목표로 하고 있으며, 최근 대중적이고 경제적이며 실용 가능한 개념으로 VAWT가 고려되고 있다. 이 개념은 부유식 풍력발전기(FAWT)로 알려져 있다.. 이 연구에서는 VAWT를 지지하는데 있어서 부유식 지지물을 고려하였다. VAWT에 작용하는 공기역학적 하중이 FAWT에 구조적 하중으로 작용하게 된다. 기울어 진 상태에서의 FAWT에 작용하는 공기역학적 하중 도한 계산했다.
