In the present study, a numerical framework for predicting the aerodynamic performance and the aeroelastic behavior of floating offshore wind turbine rotor blades involving platform motion was developed. For this purpose, the aerodynamic and structural analyses were conducted simultaneously in a tightly coupled manner for handling transient flows due to platform motion by exchanging the information about the aerodynamic loads and the elastic blade deformations at every time step. The motion of the floating offshore turbine was prescribed by the six degrees-of-freedom platform motions. The elastic behavior of the turbine rotor blades was described by adopting a structural model based on 2nd order Euler-Bernoulli beam. The aerodynamic loads by the rotor blades were evaluated by adopting a Blade Element Momentum Theory (BEMT) and Computational Fluid Dynamics (CFD).
For a validation, several analyses were performed for the NREL 5MW reference wind turbine using the CSD solver alone. At first, an aeroelastic analysis was conducted for the wind turbine with fixed foundation, and the aerodynamic loads and the elastic blade deformation were calculated under various operating conditions. The results were compared with the numerical solutions by FAST. Next, the aerodynamic load variation was calculated when the platform moves in a prescribed sinusoidal surge motion for rigid blades. It was observed that the aerodynamic loads produced by the rotor blades significantly change as the platform of the wind turbine is in a movement. Finally, the effects of the platform motion on the aerodynamic performance and the aeroelastic behavior of the floating offshore wind turbine rotor blades were investigated. The numerical simulations were conducted when the platform of the wind turbine independently moves in each of the six degrees-of-freedom directions consisting of heave, sway, surge, roll, pitch, and yaw at a below-rated flow condition. It was observed that flexible blades exhibit complicated vibratory behaviors when they are excited by the aerodynamic, inertia and gravitational forces simultaneously. It was found that the load variation caused by the platform surge or pitch motion has a significant influence on the flapwise and torsional deformations of the rotor blades. The torsional deformation mainly occurs in the nose-down direction, and results in a reduction of the aerodynamic loads. It was also found that the flapwise root bending moment is mainly influenced by the platform surge and pitch motions. On the other hand, the edgewise bending moment is mostly dictated by the gravitational force, but is not affected much by the platform motion.
Developed CSD solver in the present study was coupled with CFD solver, which is based on the three-dimensional unstructured mesh technique, for more accurate aerodynamic analysis. The tight coupling between two solvers was achieved by adopting staggered coupling method, which can reduce the computational time and can maintain the accuracy of the numerical solution. Finally, the numerical analysis for the NREL 5MW wind turbine was performed using the coupled CFD-CSD method. In the present study, the platform surge and pitch motions that have the greatest influence on the changes of the aerodynamic loads and the elastic deformations are only considered. In the normal operating condition, similar aerodynamic loads changes and the vibratory behavior of the blade are presented compared to those of the BEM-CSD prediction. Additionally, detailed pressure distribution on the blade surface are shown by using the coupled CFD-CSD method. It was also found that the rotor wake structure are occurred unsymmetrically due to the platform surge and pitch motions.
본 연구에서는 하부구조물 운동을 동반하는 부유식 해상풍력터빈 로터 블레이드의 공력 성능 및 공탄성 거동을 예측하기 위한 해석 기법이 개발되었다. 하부구조물 운동에 따른 비정상 수치 해를 도출하기 위해, 공력 하중과 블레이드 탄성 변형에 관한 정보를 매 시간간격에서 교환하는 강결합 방식을 통해 공력 및 구조 해석자가 결합되었으며, 부유식 풍력터빈의 움직임은 하부구조물의 6자유도 운동을 통해 구현되었다. 로터 블레이드의 탄성 변형은 2차 비선형 오일러-베르누이 빔에 기반한 구조 모델을 통해 도출되었으며, 공력 하중의 경우 블레이드 요소 운동량 이론 또는 전산유체역학을 이용하여 계산되었다.
전산구조 해석자 검증을 위해 NREL 5MW 풍력터빈에 대한 다양한 수치해석이 수행되었다. 고정식 풍력터빈에 대한 공탄성 해석이 수행되었으며, 다양한 운용조건에서의 블레이드 공력 성능 및 공탄성 특성이 예측되었다. 도출된 결과는 FAST를 이용한 해석 결과와의 비교를 통해 타당성을 확보하였다. 다음으로, 하부구조물이 서지 운동을 동반할 때 강체로 가정된 로터 블레이드에서 발생하는 공력 성능을 예측하였으며, 도출된 결과는 타 연구자의 해석 결과와의 비교를 통해 검증되었다. 또한, 해석 결과를 통해 로터 블레이드에서 발생하는 공력 하중이 하부구조물 운동에 의해 큰 폭으로 변화함을 확인하였다. 최종적으로, 하부구조물 운동이 부유식 해상 풍력터빈 로터 블레이드의 공력 성능 및 공탄성 거동에 미치는 영향을 수치적으로 확인하였다. 정격 풍속 이하 조건에서 수치해석이 수행되었으며, 히브, 스웨이, 서지, 롤, 피치, 요 방향으로의 하부구조물 운동이 고려되었다. 블레이드에 작용하는 공력, 관성력, 중력에 의해 블레이드 탄성 변형이 큰 폭으로 진동함을 확인하였다. 하부구조물의 서지 및 피치 운동이 블레이드 탄성 변형에 가장 큰 영향을 미침을 확인하였으며, 특히 플랩 방향과 비틀림 방향으로 큰 폭의 블레이드 구조 진동이 발생하였다. 블레이드 비틀림 변형이 유효 받음각을 감소시킴에 따라 강체 블레이드에 비해 유연체 블레이드의 공력 성능이 감소함을 확인하였다. 플랩 방향으로의 블레이드 굽힘 모멘트 또한 하부구조물의 서지 및 피치 운동에 의해 가장 크게 변화하였다. 그러나 엣지 방향으로의 블레이드 굽힘 모멘트는 중력에 의해 지배적으로 변화하며, 하부구조물 운동으로 인한 공력 변화에는 큰 영향을 받지 않음을 확인하였다.
본 연구에서 개발된 전산구조 해석자는 보다 정확한 공력 해석을 위해 3차원 비정렬 격자계에 기반한 전산유체 해석자와 결합되었다. 해의 정확도를 유지하며 계산비용을 절감할 수 있는 시차 제법을 이용하여 전산유체-전산구조 연계 해석이 수행되었으며, 로터 블레이드의 공탄성 특성에 가장 큰 영향을 미치는 서지 및 피치 운동이 고려되었다. 정상 하중 조건에서는 BEM-CSD 및 CFD-CSD 연계 기법 모두 공력 성능 및 블레이드의 공탄성 거동에 대해 유사한 해를 도출함을 확인하였다. 그러나 CFD-CSD 연계 기법을 통해 블레이드 표면 압력 분포, 하부구조물 운동으로 인한 후류 변화 등의 3차원 유동 현상을 보다 정확하게 포착할 수 있음을 확인하였다.
