In the present study, an aeroelastic solver based on coupling of computational fluid dynamics (CFD) and computational structural dynamics (CSD) has been developed for predicting the aerodynamic loads and the elastic deformation of rotor blades with a better accuracy over the conventional aeroelastic analysis tools based on lower-order aerodynamic models. The present coupled CFD-CSD solver is intended primarily for use in helicopter and horizontal-axis wind turbine (HAWT) applications. The blade aerodynamic loads were obtained from a Navier-Stokes CFD flow solver based on unstructured meshes. The blade elastic deformation was calcu-lated using a FEM-based CSD code which employs a nonlinear coupled flap-lag-torsion beam theory. The cou-pling of the CFD and CSD solvers was accomplished by exchanging sectional airloads and beam deformations between the two solvers at infrequent intervals. For static aeroelastic analyses of rotors in axial flow conditions, the data transfer takes place after a time-invariant steady (or static) solution is obtained from each solver. In the case of non-axial flow conditions, based on the periodicity of rotor flows in the azimuthal direction, periodic airload and periodic deformation are exchanged once per rotor revolution between the two solvers. The iterative coupling procedure is repeated until a satisfactory converged solution is obtained in both solvers.
At first, the present coupled CFD-CSD solver was applied to a helicopter rotor in a descending flight, and the results were extensively validated against available experimental measurements. It was found that the cou-pled CFD-CSD analysis shows a good convergence behavior, which was made within eight coupled iterations. It was also found that the coupled analysis provides a significantly improved prediction against the CSD-alone calculations based on a lower-order aerodynamic model. The present coupled solver was then applied to the NREL phase VI wind turbine rotor under axial flow operating conditions, as well as yawed flows. The results showed that the blade aeroelastic deformation is negligibly small, obtaining a quite fast convergence less than two coupled iterations. The overall results for the blade aerodynamic loads are in good agreement with experi-mental measurements. Finally, the utility-scale NREL 5MW reference wind turbine was analyzed under various operating conditions including yaw and wind shear. It was observed that for this large turbine blade, a fairly large blade deformation occurs, particularly for torsion, resulting in a significant loss in the blade aerodynamic loads. From the study on dynamic blade behaviors due to rotor shaft tilt and tower interference including the gravity force, it was found that the shaft tilt and the gravity force cause a fairly large unsteady variation of the blade elastic deformations, dominated mostly by the nose-down torsion. The tower interference produces high-frequency vibratory loads at the blade root. It was also found that due to yaw and wind shear, the vibratory loads are significantly increased, particularly for 1/rev content.
헬리콥터 및 풍력터빈 로터 블레이드의 공탄성 해석에서 공기력 계산은 주로 블레이드 요소 운동량 기법 또는 양력선 이론을 통해 수행되어 왔다. 흔히 공기력 모델이라 일컬어지는 이러한 방법들은 해석 기법 적용이 비교적 간단하고 계산 용량이 크지 않아 신속한 결과 도출이 가능한 장점이 있지만, 해석 방법론이 이차원 에어포일의 정상상태 공력데이터 및 포텐셜 유동 이론에 기반을 두고 있기 때문에 로터 주위에서 나타나는 실제적인 삼차원 비정상 점성 유동 특성을 정확하게 반영하는데 한계가 있으며, 결과적으로 높은 정확도의 공탄성 예측 결과를 기대하기 힘들다. 본 연구에서는 이러한 공기력 모델의 한계를 극복하고자 공기력 모델을 Navier-Stokes 방정식에 기반한 전산유체역학기법 (Computational Fluid Dynamics, CFD)으로 대체하고, 이를 전산구조동역학 (Computational Structural Dynamics, CSD) 코드와 결합 해석하는 이른 바, CFD-CSD 연계 공탄성 해석 코드를 개발하였다. CFD 유동해석 코드는 유한 체적법과 비정렬 격자에 기반하며, 중첩 격자 기법과 격자 변형 기법을 이용하여 블레이드의 공탄성 변형 운동을 포함한 유동해석이 가능하도록 하였다. CSD 코드는 블레이드 구조동역학 모델로서 이차 비선형 보 이론을 도입하였으며, 블레이드 요소 운동량 기법에 근거한 공기력 모델을 추가함으로써 독립적인 공탄성 해석이 가능하도록 하였다. 블레이드의 구조 동역학 방정식은 유한 요소법을 적용하여 이산화 되었으며, 이산화 된 방정식은 시간 적분을 통하여 풀이되도록 하였다. CFD코드와 CSD 코드의 결합해석은 블레이드의 공력과 변형데이터의 반복적인 전달로 이루어지며, 본 연구에서는 로터 주위 유동의 주기성을 이용하여, 데이터 전달을 로터 한 바퀴마다 수행하는 연성 결합 방법 (time-periodic delta-airload coupling)을 적용하였다. 개발된 CFD-CSD 연계 해석 코드의 검증은 실험 측정치가 존재하는 헬리콥터 전진 비행 해석을 통하여 수행되었으며, 우수한 수렴성과 예측 정확도의 타당성을 확인하였다. 또한 연계 해석 코드를 풍력터빈에 적용하여 다양한 풍조건에서 나타나는 로터 블레이드의 공력 및 공탄성 특성을 대한 고찰을 수행하였다.
