Wake effects of a horizontal axis wind turbine blade on aeroelastic characteristics were investigated for the uniform inflow condition. A structural analysis was performed employing a nonlinear beam model based on the large deflection beam theory. For inflow analysis on rotor blades, a free-vortex wake method was employed. An advantage of the present approach is its ability to calculate directly the induced velocities from the wake. Also, for the predictions of aerodynamic loads, a fully turbulent flow solution is invoked in FLUENT,
where the k-ω SST turbulent model of two-dimensional airfoils is adopted for transient analysis. To verify and validate the aerodynamic model for wind turbines, the wake geometry and the aerodynamic coefficients from the present simulation are compared with measurements and numerical results of previous studies. Finally, an analysis of the tightly coupled fluid-structure interaction phenomena of a wind turbine blade has been carried out to investigate aeroelastic characteristics, such as steady-state blade deflections and dynamic stability. The present results are compared with the numerical results obtained using a uniform inflow model, which clearly confirms the importance of wake effects on the blade aeroelastic characteristics. In addition, the horizontal axis wind turbines operate under yawed conditions for a considerable period of time due to the power control mechanism or sudden changes in the wind direction. This in turn can alter the dynamic characteristics of a turbine blade because the flow over the rotor plane may trigger complicated induced velocity patterns. Thus, an aeroelastic analysis under yawed flow conditions is carried out to investigate the effects of yaw error on the blade behaviors and dynamic stability. The aerodynamic approach for a horizontal axis wind turbine blade under yawed flow conditions is verified through comparison with measurements. The dynamic instabilities of a National Renewable Energy Laboratory 5MW reference wind turbine have subsequently been investigated for various wind speeds and yaw angles. Observations are made that yaw effects induce considerable changes in airloads and blade structural behavior. Also, the aeroelastic damping values for this particular blade under yawed flow conditions can be reduced by up to approximately 33 % in the worst case. Therefore, it is concluded that the impacts of yaw misalignments adversely influenced the dynamic aeroelastic stability of the horizontal axis wind turbine blade. Furthermore, the magnitude and temporal variations of wind speed considerably influence aerodynamic and structural responses of MW-sized horizontal axis wind turbines. Thus, this research investigates the
variations in airloads and blade behavior of a wind turbine blade resulting from operations in sheared and turbulent flow conditions. First, in order to validate the present methods, comparisons of aerodynamic results were made among the blade element momentum method, free-wake method, and numerical results from previous studies. Then, the validated methods were applied to a national renewable energy laboratory 5 MW reference
wind turbine model for fluid-structure interaction analyses. From the numerical simulations, it can be clearly seen that unfavorable airloads and blade deformations occur due to the sheared and turbulent flow conditions. In addition, it is clear that wake impacts are not as substantial at those of high wind speeds; however, the effects obviously affect the aerodynamic and structural behaviors of the blade at lower wind speeds. Therefore, it is concluded that the numerical results markedly indicate the demand for accurate assessment of wake dynamics for accurate estimations of the aerodynamic and structural responses for sheared and turbulent flow environments.
본 연구에서는 다양한 유입 조건에 대하여 후류 효과를 고려한 수평축 풍력터빈 블레이드의 공기력 및 공력탄성학적 특성을 파악하였다. 자유후류 기법 기반의 공력 모델을 전산유체 기법과 연계하여 풍력터빈으로부터 발생하는 후류를 모사하였고, 블레이드에 작용하는 공력 하중을 예측하였다. 이러한 공력 모델을 기하학적 비선형성을 고려할 수 있는 대변형 보 모델과 연계를 통하여 공탄성 해석을 수행하였다. 결론적으로 풍력터빈의 운용 구간 중, 특히 낮은 풍속이 유입되는 영역에 대하여 터빈 블레이드의 공력 및 공탄성 특성이 후류 효과에 의해 상당한 영향을 받는 것을 본 연구를 통하여 확인하였으며, 이러한 시뮬레이션 해석 결과는 안전성 및 동적 안정성이 확보를 위한 풍력터빈 블레이드의 설계 또는 개발 시에 상당히 용이할 것으로 사료된다.
본 논문을 통해 다양한 유입 조건 (uniform flow, yawed flow, sheared flow, turbulent)에 대하
여 후류 효과가 풍력터빈 블레이드의 공력 및 공탄성 응답에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하
였고, 각 유입 조건에 대한 결론은 아래에 자세히 서술하였다.
균일한 형태의 풍속 유입 시 (uniform flow condition), 수평축 풍력터빈 블레이드의 정적 및 동적 공탄성 특성에 대한 연구를 수행하였다. 우선, NREL Phase VI 로터에 대한 선행 실험 및 해석 연구의 공력 하중 예측 결과와 비교를 통해 본 연구에서 구축한 자유후류기법 기반 공력 모델의 유효성을 검증하였다. 또한, 구축한 공탄성 모델을 NREL 5 MW 풍력터빈 블레이드에 적용하여 도출한 결과를 HAWC2 코드의 결과와 비교하였고, 블레이드 처짐 예측 결과의 경향성은 전반적으로 잘 예측함을 확인하였지만, 부분적으로 미소한 차이가 나타남을 확인하였다. 이는 선행연구의 HAWC2 해석의 경우, BEM 공력 모델을 사용하였기 때문에 현 자유후류기법과 후류를 모사하는 방법의 차이에 의해 야기된다고 사료된다. 마지막으로 동일한 NREL 5 MW 풍력터빈 블레이드 모델에 대한 동적 안정성 결과를 예측하였고, 이를 균일 유입류 모델 (uniform inflow model)을 적용한 결과와 비교하였다. 플랩 모드의 댐핑 결과는 거의 유사하게 도출함을 확인하였지만, 래그 모드의 댐핑의 결과는 특히 낮은 풍속 유입에 대하여 유입 모델에 따라 69.7 % 의 상당한 결과 차이를 보였다. 따라서, 공탄성 응답은 후류 효과에 의해 상당한 영향을 받는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 확인하였고, 정확한 공력 및 공탄성 예측을 위해서는 후류 효과를 반드시 고려해야 한다고 사료된다.
요 각 (또는 편향각, yaw angle)이 수평축 풍력터빈 블레이드의 공력 및 공탄성 응답에 미치는 영향을 알아보기 위한 연구를 수행하였다. 우선 요 각이 존재할 때 풍력터빈 블레이드에 작용하는 공력 하중 예측 결과를 기존 문헌의 NREL Phase VI 로터의 실험 및 해석과 비교를 수행하였고, 전반적으로 실험 결과의 경향성을 잘 예측함을 확인하였다. 이를 통해 본 연구에서 구축한 yawed flow condition에서의 공력 모델의 유효성을 검증하였다. 또한, NREL 5 MW 풍력터빈 블레이드의 공력 하중 결과와 블레이드 거동 및 동적 안정성의 공탄성 시뮬레이션 결과를 Drees 선형 유입류 모델 (linear inflow model)과 비교하였다. 요 각의 영향으로 인하여 받음각 분포가 방위각에 따라 변하는 것을 확인하였고, 이는 공력 하중 및 블레이드 거동 역시 방위각에 따라 변하는 결과의 경향을 잘 예측함을 확인할 수 있었다. 또한, 고유치 해석을 통하여 yawed flow condition 에 의한 동적 안정성 응답을 예측하였고, 자유후류기법과 선형 유입 모델의 유도속도 예측 방법 차이에 의해 상당한 공탄성 결과 차이를 보이지만 이는 해석에 적용된 선형 유입류의 이론적 한계에 의해 정확하게 예측하지 못했기 때문에 발생하는 결과 차이라고 판단된다. 하지만, yawed flow의 유동 영향에 의해 공탄성 댐핑은 uniform flow condition의 동적 안정성 결과와 비교하여 최대 33 % 더 낮게 예측함을 확인하였다. 이러한 결과를 통해 yawed flow 조건에서는 후류의 영향보다는 요 각에 의한 유동 변화가 결과에 주로 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 풍력터빈 블레이드의 동적 안정성 관점에서는 역효과로 작용할 수 있다고 결론 내릴 수 있다.
윈드 시어 (wind shear)나 난류 유동 (turbulent)과 같이 시간에 따라 변하는 풍속 유입 조건에서의 풍력터빈 블레이드의 공력 하중 및 공탄성 거동 예측에 대한 연구를 수행하였다. 이러한 유입류는 시간에 따라 풍속의 크기가 변하기 때문에 정확한 공력 및 공탄성 응답 예측은 상당히 중요하다. 해석은 대변형 보 이론 기반의 비선형 보 구조 모델을 사용하였고, 후류 효과가 결과에 미치는 영향을 파악하기 위해 자유후류기법과 BEM 기법을 각각 해석에 적용하여 NREL 5MW 풍력터빈 블레이드의 공력 및 공탄성 응답 결과를 비교하였다. 해석 결과로부터 높은 풍속이 유입될 시에는 공력 모델에 상관 없이 해석 결과에 큰 차이가 없지만, 낮은 풍속 조건에서는 공력 및 블레이드 처짐 거동에 후류가 상당한 영향을 미치는 것을 확인 가능하였다. 이는 회전하는 블레이드 후면으로부터 발생하는 후류가 낮은 풍속에서는 빠르게 빠져나가지 못하기 때문에, 낮은 풍속에서 상대적으로 보다 큰 후류 효과가 블레이드에 작용하기 때문이라고 사료된다.
