본 석사학위 논문은 전산유체역학(CFD)을 이용하여 풍력발전기의 설계하중조건에 따른 공력해석에 관한 연구 논문이다. 최근, 풍력발전기 산업의 설계 프로그래밍 코드는 수많은 실험과 경험을 바탕으로 한 수정을 거쳐 확장된 BEM 기법에 기초를 두고 있다. 게다가, 다른 기법들(예를 들어, potential flow,
generalized dynamic wakes, 그리고 ...
본 석사학위 논문은 전산유체역학(CFD)을 이용하여 풍력발전기의 설계하중조건에 따른 공력해석에 관한 연구 논문이다. 최근, 풍력발전기 산업의 설계 프로그래밍 코드는 수많은 실험과 경험을 바탕으로 한 수정을 거쳐 확장된 BEM 기법에 기초를 두고 있다. 게다가, 다른 기법들(예를 들어, potential flow,
generalized dynamic wakes, 그리고 lifting line, panel 혹은 vortex method)은 수치 해석을 기반으로 하고 있기 때문에 추정이라는 한계가 있다. 해상 풍력의 발전과 풍력발전기가 날로 대형화되는 추세에 따라, 정확한 설계의 중요성 또한 대두되고
있다. 따라서, 본 연구는 기초적인 공기역학적 매커니즘에 초점이 맞추어졌다.
본 연구의 목표는 대형 풍력 발전기 로터 유동장의 물리적 특성을 깊이 이해할 수 있는 CFD 기법을 기반으로 풍력 발전기 설계에서 더 나은 방법론을 구축하는 것이다. 비록 전산 유체역학이 실용적인 설계 도구는 아니지만 정확성과 강력함은 기존 설계 방식의 풍력 발전기 설계를 평가하는데 중요하게 쓰인다. 3 차원 CFDRANS 기법은 5MW 풍력 발전기 실물 크기 모델뿐만 아니라 동일 모델 로터의 해석에도 사용되었다. 모든 시뮬레이션은 상용 FLUENT 코드가 적용된 유한 볼륨 솔루션을 이용하여 수행되었다.
연구와 관련된 데이터의 세부적인 선택은 다음과 같다. 먼저, 기존연구결과와 비교함으로써 서로 다른 풍속과 피치 각도에 따른 3 로터 풍력 발전기 블레이드의 공기역학적 성능이 증명되었다. Spalart-Allmaras one-equation model, k-ε model,
advanced shear-stress transport (SST) k-ω model 같은 다양한 난류 모델들은 대형블레이드의 공기역학적 성능예측을 위해 적용되었다. 멱 법칙 (power-law) 속도 프로파일을 기반으로 한 대기 경계층에 의한 난류 점성 효과 또한 본 논문에서
고려된다. 그런 다음, 낫셀, 허브 앞부분, 타워를 포함한 실물 크기 5MW 풍력발전기의 공기역학적 성능 평가와 비교는 기존 풍력발전기 모델과 함께 수행되었다.
본 해석을 기반으로, 가장 중요한 부분은 풍력 발전기의 공기역학적 성능에서 낫셀, 허브 앞부분, 타워의 영향을 보여주는 것이다. 이 같은 형상에 의해 공력 감소 현상이 나타났다. 본 연구의 가장 중요한 점은 GL Guidelines 2010 에 따라 여러 설계하중조건하에서 풍력 발전기의 공기역학적 성능에 초점을 두는 것이다. Normal turbulence, extremely coherent direction change, normal wind profile, extremely operating gust 와 wind shear effect 를 포함하는 다양한 운용 조건이 CFD 기법으로연구되었다. 이러한 운용 조건을 결정하기 위해서, C 언어로 작성된 사용자 정의 함수를 상용 FLUENT 소프트웨어로 컴파일 하였다. 중요한 점은 이러한 조건들 하에서 큰 규모의 공기역학적 성능 편차가 나타나는 것이다. 그러나, 풍력 발전기에
대한 공기역학적 연구를 위한 3 차원 CFD-RANS 해석 정확도에 대한 증명은 충분히 이루어졌다.
본 석사학위 논문은 전산유체역학(CFD)을 이용하여 풍력발전기의 설계하중조건에 따른 공력해석에 관한 연구 논문이다. 최근, 풍력발전기 산업의 설계 프로그래밍 코드는 수많은 실험과 경험을 바탕으로 한 수정을 거쳐 확장된 BEM 기법에 기초를 두고 있다. 게다가, 다른 기법들(예를 들어, potential flow,
generalized dynamic wakes, 그리고 lifting line, panel 혹은 vortex method)은 수치 해석을 기반으로 하고 있기 때문에 추정이라는 한계가 있다. 해상 풍력의 발전과 풍력발전기가 날로 대형화되는 추세에 따라, 정확한 설계의 중요성 또한 대두되고
있다. 따라서, 본 연구는 기초적인 공기역학적 매커니즘에 초점이 맞추어졌다.
본 연구의 목표는 대형 풍력 발전기 로터 유동장의 물리적 특성을 깊이 이해할 수 있는 CFD 기법을 기반으로 풍력 발전기 설계에서 더 나은 방법론을 구축하는 것이다. 비록 전산 유체역학이 실용적인 설계 도구는 아니지만 정확성과 강력함은 기존 설계 방식의 풍력 발전기 설계를 평가하는데 중요하게 쓰인다. 3 차원 CFDRANS 기법은 5MW 풍력 발전기 실물 크기 모델뿐만 아니라 동일 모델 로터의 해석에도 사용되었다. 모든 시뮬레이션은 상용 FLUENT 코드가 적용된 유한 볼륨 솔루션을 이용하여 수행되었다.
연구와 관련된 데이터의 세부적인 선택은 다음과 같다. 먼저, 기존연구결과와 비교함으로써 서로 다른 풍속과 피치 각도에 따른 3 로터 풍력 발전기 블레이드의 공기역학적 성능이 증명되었다. Spalart-Allmaras one-equation model, k-ε model,
advanced shear-stress transport (SST) k-ω model 같은 다양한 난류 모델들은 대형블레이드의 공기역학적 성능예측을 위해 적용되었다. 멱 법칙 (power-law) 속도 프로파일을 기반으로 한 대기 경계층에 의한 난류 점성 효과 또한 본 논문에서
고려된다. 그런 다음, 낫셀, 허브 앞부분, 타워를 포함한 실물 크기 5MW 풍력발전기의 공기역학적 성능 평가와 비교는 기존 풍력발전기 모델과 함께 수행되었다.
본 해석을 기반으로, 가장 중요한 부분은 풍력 발전기의 공기역학적 성능에서 낫셀, 허브 앞부분, 타워의 영향을 보여주는 것이다. 이 같은 형상에 의해 공력 감소 현상이 나타났다. 본 연구의 가장 중요한 점은 GL Guidelines 2010 에 따라 여러 설계하중조건하에서 풍력 발전기의 공기역학적 성능에 초점을 두는 것이다. Normal turbulence, extremely coherent direction change, normal wind profile, extremely operating gust 와 wind shear effect 를 포함하는 다양한 운용 조건이 CFD 기법으로연구되었다. 이러한 운용 조건을 결정하기 위해서, C 언어로 작성된 사용자 정의 함수를 상용 FLUENT 소프트웨어로 컴파일 하였다. 중요한 점은 이러한 조건들 하에서 큰 규모의 공기역학적 성능 편차가 나타나는 것이다. 그러나, 풍력 발전기에
대한 공기역학적 연구를 위한 3 차원 CFD-RANS 해석 정확도에 대한 증명은 충분히 이루어졌다.
This Master thesis concerns the study of wind turbine aerodynamic under load case designs (DLC) using computational fluid dynamics.
Nowadays, industrial design codes for wind turbines are still based on the traditional Blade Element Momentum method, which has been extended with a number of empirical...
This Master thesis concerns the study of wind turbine aerodynamic under load case designs (DLC) using computational fluid dynamics.
Nowadays, industrial design codes for wind turbines are still based on the traditional Blade Element Momentum method, which has been extended with a number of empirical correction, often not based on physical flow features. Additionally, other approaches (for example, potential flow, generalized dynamic wakes, and lifting line, panel or vortex method) is based on numerical analysis which still have limitation due to their assumption during construction approach. As the wind turbine size become bigger as well as ongoing offshore area, the importance of accuracy design is most significant. Therefore, the research is today focused on the basic aerodynamic mechanisms. Especially, computation time is reduced under developed computer technology.
The general aim of this study was to construct better methodology in wind turbine analysis design based on computational fluid dynamics, which can deep understand physical behaviour of the flow field past huge wind turbine rotors. Although CFD is not a practical design tool, its accuracy and robustness are more significant to evaluate wind turbine design of classical design methods.
A full three-dimensional CFD-RANS approach was used to model whole rotor of a 5MW wind turbine as well as fully scale of this wind turbine. All the simulations were performed using the finite-volume solution by commercial FLUENT code. Detailed results relate to the various investigated issues are presented. Firstly, aerodynamic performance of only three-rotor wind turbine blade has been validated with respect to different wind speeds and pitching angles of the blade by comparing to previous researches. Various turbulence models such as the Spalart-Allmaras one-equation model, the k-ε model, and the advanced shear-stress transport (SST) k-ω model are applied in order to investigate the effects of turbulent models for the prediction of aerodynamic performance of the huge blade. The effect of turbulent viscosity due to atmospheric boundary layer based on a power-law velocity profile is also considered herein. Then, a comparison and evaluation of aerodynamic performance of fully scale 5MW wind turbine including nacelle, nose, and tower has been done with previous wind turbine model. Based on this analysis, the most important features is to show the effect of nacelle, nose and tower on wind turbine aerodynamic performance. The aerodynamic decrements have found due to existing those configurations. The main aims of this research are to focus on aerodynamic performance of wind turbine under several load case designs condition according to GL Guidelines 2010. Various operating condition including normal turbulence, extremely coherent direction change, normal wind profile, extremely operating gust and extremely wind shear effect have been investigated using CFD method. In order to define those operating condition, the user defined functions which are usually written by C language were compiled into commercial FLUENT software. The most important features are to show large aerodynamic performance variation under those conditions. Nevertheless, the purpose of proving the capabilities of full 3D CFD RANS for the study wind turbine aerodynamic has been fully achieved.
This Master thesis concerns the study of wind turbine aerodynamic under load case designs (DLC) using computational fluid dynamics.
Nowadays, industrial design codes for wind turbines are still based on the traditional Blade Element Momentum method, which has been extended with a number of empirical correction, often not based on physical flow features. Additionally, other approaches (for example, potential flow, generalized dynamic wakes, and lifting line, panel or vortex method) is based on numerical analysis which still have limitation due to their assumption during construction approach. As the wind turbine size become bigger as well as ongoing offshore area, the importance of accuracy design is most significant. Therefore, the research is today focused on the basic aerodynamic mechanisms. Especially, computation time is reduced under developed computer technology.
The general aim of this study was to construct better methodology in wind turbine analysis design based on computational fluid dynamics, which can deep understand physical behaviour of the flow field past huge wind turbine rotors. Although CFD is not a practical design tool, its accuracy and robustness are more significant to evaluate wind turbine design of classical design methods.
A full three-dimensional CFD-RANS approach was used to model whole rotor of a 5MW wind turbine as well as fully scale of this wind turbine. All the simulations were performed using the finite-volume solution by commercial FLUENT code. Detailed results relate to the various investigated issues are presented. Firstly, aerodynamic performance of only three-rotor wind turbine blade has been validated with respect to different wind speeds and pitching angles of the blade by comparing to previous researches. Various turbulence models such as the Spalart-Allmaras one-equation model, the k-ε model, and the advanced shear-stress transport (SST) k-ω model are applied in order to investigate the effects of turbulent models for the prediction of aerodynamic performance of the huge blade. The effect of turbulent viscosity due to atmospheric boundary layer based on a power-law velocity profile is also considered herein. Then, a comparison and evaluation of aerodynamic performance of fully scale 5MW wind turbine including nacelle, nose, and tower has been done with previous wind turbine model. Based on this analysis, the most important features is to show the effect of nacelle, nose and tower on wind turbine aerodynamic performance. The aerodynamic decrements have found due to existing those configurations. The main aims of this research are to focus on aerodynamic performance of wind turbine under several load case designs condition according to GL Guidelines 2010. Various operating condition including normal turbulence, extremely coherent direction change, normal wind profile, extremely operating gust and extremely wind shear effect have been investigated using CFD method. In order to define those operating condition, the user defined functions which are usually written by C language were compiled into commercial FLUENT software. The most important features are to show large aerodynamic performance variation under those conditions. Nevertheless, the purpose of proving the capabilities of full 3D CFD RANS for the study wind turbine aerodynamic has been fully achieved.
주제어
#wind energy
#wind turbine aerodynamics
#CFD-RANS
#blade design
#GL Guidelines
#design load case
#DLC
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