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와류 셀을 이용한 풍력블레이드 에어포일 주위 유동 제어
Flow Control on Wind Turbine Airfoil with a Vortex Cell 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.5, 2012년, pp.405 - 412  

강승희 (전북대학교 항공우주공학과) ,  김혜웅 (대우일렉트로닉스 부평연구소) ,  유기완 (전북대학교 항공우주공학과) ,  이준신 (한국전력 전력연구원 녹색성장연구소)

초록
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높은 효율의 풍력터빈 블레이드을 위해 와류 셀이 장착된 에어포일의 정지상태 및 동실 속 상태에서의 유동제어 특성을 수치적으로 연구하였다. 수치기법은 Roe의 flux-difference-splitting을 사용한 격자점 중심 유한체적법과 이중시간 전진 기법을 사용하는 내재적 시간적분법을 사용하였다. 계산결과 와류 셀을 장착한 경우 셀 내부의 부압으로 인해 양항비증가를 얻을 수 있음을 확인하였다. 동실속의 경우 셀 내부의 와류에 의해 hysterisis 현상을 상당히 감소시킬 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A flow control on airfoil installed a vortex cell for high efficiency wind turbine blade in stationary and dynamic stall conditions have been numerically investigated by solving the compressible Navier-Stokes equations. The numerical scheme is based on a node-based finite-volume method with Roe's fl...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 동실속 조건에서의 와류 셀 장착에 따른 에어 포일 주위 유동장의 상대적인 제어 특성을 확인하기 위해서는 기본형상에 대한 동실속 연구를 수행하였다. 동실속의 경우는 에어포일 시위의 1/4 위치를 중심으로 다음과 같은 식으로 거동하는 경우에 대해 계산을 수행하였다.
  • 본 연구는 높은 두께 대 시위비 에어포일의 특징을 갖는 풍력터빈 블레이드의 공기역학적 효율을 증가시키기 위해 와류 셀이 장착된 블레이드 에어포일주위의 유동제어에 대한 기본적인 연구를 수행하였다. 이를 위해 압축성 Navier-Stokes 방정식을 이용한 수치적 기법을 사용하여 정지상태 및 동실속 상태에서 에어포일 주위 유동장을 계산하여 와류 셀 장착에 따른 유동제어 특성을 연구하였다.
  • 본 연구에서는 높은 두께비 에어포일의 특징을 갖는 풍력터빈 블레이드의 공기역학적 효율을 증가시키기 위해 와류 셀이 장착된 에어포일 주위의 유동제어에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 압축성 Navier-Stokes 방정식을 이용한 수치적 기법을 사용하여 정지 상태 및 동실속 상태에서 에어포일 주위 유동장을 계산하여 와류 셀 장착에 따른 유동제어 특성을 확인하였다.
  • 본 연구에서는 일반적으로 풍력터빈 블레이드에어포일 연구에 많이 사용되는 S809 형상[14]을 기본 (기본형상)으로 와류 셀을 장착한 경우에 대한 주위 유동변화를 계산하여 상대적인 유동특성 비교함으로써 유동장 제어에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에 사용된 와류 셀은 비점성 이론에 근거하여 설계한 Donelli의 와류 셀 [8] (그림 3)과 제작성 등을 고려하여 원 형태 등으로 단순화한 본 연구 제시형상(그림 4)이 장착된 경우이다.
  • 정지 상태에서의 와류 셀에 의한 유동장 제어 특성을 확인하기 위해 계산을 수행하였다. 계산은 마하수 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
와류 셀 기법이 블레이드와 같은 양력면 등에 광범위하게 적용되지 못하고 있는 이유는 무엇인가? 유동제어기법의 일환으로 와류를 제한된 영역에 머물게 하는 와류 셀(vortex cell) 개념 [3]은 그림 1에서 보는 바와 같이 에어포일 표면 부근에 셀을 만들어 이 셀에 강력한 와류를 머물게 함으로써 와류흐름 효과를 감소시키고 후류에서의 에너지 손실을 줄여 항력을 감소시키는 기법이다. 이 기법은 상당히 오래전에 제안 되었음에도 불구하고 셀 내부에서의 유동장에 대한 물리적인 이해 부족 등으로 인해 블레이드와 같은 양력면(lifting surface)등에 광범위하게 적용되지 못하고 있는 실정이다.
풍력터빈 블레이드는 무엇인가? 풍력터빈 블레이드는 바람의 운동에너지를 기계적 회전 에너지로 변환시켜주는 풍력터빈의 핵심적인 구성요소이다. 이러한 블레이드의 성능은 풍력터빈 전 시스템의 성능과 효율, 시스템 하중 등에 큰 영향을 주게 된다.
와류 셀의 개념은 무엇인가? 유동제어기법의 일환으로 와류를 제한된 영역에 머물게 하는 와류 셀(vortex cell) 개념 [3]은 그림 1에서 보는 바와 같이 에어포일 표면 부근에 셀을 만들어 이 셀에 강력한 와류를 머물게 함으로써 와류흐름 효과를 감소시키고 후류에서의 에너지 손실을 줄여 항력을 감소시키는 기법이다. 이 기법은 상당히 오래전에 제안 되었음에도 불구하고 셀 내부에서의 유동장에 대한 물리적인 이해 부족 등으로 인해 블레이드와 같은 양력면(lifting surface)등에 광범위하게 적용되지 못하고 있는 실정이다.
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참고문헌 (19)

  1. Hillmer, B., Borstelmann, T., Schaffarczyk, P. A. and Dannenberg, "Aerodynamic and Structual Design of Multi-MW Wind Turbine Blades beyond 5MW," J. of Physics, Conference Series 75, 2007. 

  2. Johnson, S. J., van Dam, C. P., and Berg, D. E., "Active Load Control Techniques for Wind Turbines", SANDIA National Lab., SAND2008-4809, 2008. 

  3. Ringleb, F. O., "Separation Control by Trapped Vortices," Boundary Layer and Flow Control, edited by Lachmann, G. V. Vol. 1, Pergamon Press, 1961, pp. 265 - 294. 

  4. Chernyshenko, S. I., et al. "Vortex Cell Shape Optimization for Separation Control," WCCM8, Venice, Italy, 2008. 

  5. Kasper, W. A., "Aircraft Wing with Vortex Generation." U.S. Patent No. 3831885, 27 Aug., 1974. 

  6. Savitsky, A. I., Schukin, L. N., Kareli n, V. G., Mass, A. M., Pushkin, R. M., Shibanov, A. P., Schukin, I. L., and Fischenk i, S. V., "Method for Control of the Boundary Layer on the Aerodynamic Surface of an Aircraft and the Aircraft Provided with the Boundary Layer Control System," U.S. Patent No. 5417391, 23 May 1995. 

  7. Kruppa, E. W., "A Wind Tunnel Investigation of the Kasper Vortex Concept," AIAA Paper 77-310, Jan. 1977. 

  8. Donelli, R. and Iannelli, P., Chernyshenko, S., Iollo, A., and Zannetti., L., "Flow Models for a Vortex Cell," AIAA Journal Vol.47, No. 2, February 2009. 

  9. Donelli, R., De Gregorio, F., and Iannelli., P., "Flow Separation Control by Trapped Vortex," AIAA Paper 2010-1409, 2010. 

  10. Roe, P. L., "Approximate Riemann Solvers, Parameter Vectors, and Difference Scheme," Journal of Computational Physics, Vol. 43, pp.357-372, 1997. 

  11. Ollivier-Gooch, C. F., "High-Order ENO Schemes for Unstructured Meshes Based on Least Square Reconstruction," AIAA Paper 97-0540, 1997. 

  12. Haselbacher, A. C., McGuirkkk, J. J. and Page, G. J., "Finite-Volume Discretization Aspect for Viscous Flows on Mixed Unstructured Grids," AIAA, Paper 97-1946, 1997. 

  13. 오우섭, 김주성, 권오준, "비정렬격자를 이용한 피칭 날개단면 주위의 비정상 점성유동 해석," 한국항공우주학회지, 제28권 제4호, pp.17-26, 2000. 

  14. Somers, D., "Design and Experimental Results for the S809 Airfoil," National Renewable Energy Laboratory, NREL/SR-440-6918, 1997. 

  15. Blevins, R. D., Flow-Induced Vibration, 2nd Ed., Krieger Publishing Company, 1990. 

  16. Norberg, C., "Fluctuating Lift on a Circular Cylinder : Review and New Measurements," J. of Fluid and Structures, Vol. 17, 2003, pp. 57-96. 

  17. 강승희, "폐쇄형 풍동 시험부내의 정상 및 비정상 박리 흐름에 대한 Blockage 보정 기법 연구," 박사학위논문, 한국과학기술원, 2005. 

  18. Choudhuri, P. G., Knight, D. D., and Visbal, M. R., "Two-Dimensional Unsteady Leading-Edge Separation on a Pitching Airfoil," AIAA J., Vol. 32, No. 4, 1994., pp. 673-681. 

  19. Mehta, U. B., "Dynamic Stall of an Oscillating Airfoil," AGARD-CP-227, 1977., pp23-1-23-32. 

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