Viscous Flow Analysis around a Wind Turbine Blade with End Plate and Rake

Turbulent flow analysis around a wind turbine blade was performed to evaluate the power performance of offshore wind turbine. Fluent package was utilized to solve the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations in non-inertial rotating coordinates. The realizable k-$\varepsilon$ model was used for turbulence closure and the grid system combining structured and unstructured grids was generated. In the first, lift and drag forces of 2-D foil section were calculated and compared with existing experimental data for the validation. Then torque and thrust of the wind turbine blade having NACA 4-series sections were calculated with fixed pitch angle and rpm. Tip speed ratio was varied by changing wind speed. In the next, three kinds of end plate were attached at the tip of blade in order to increase the power of the wind turbine. Among them the end plate attached at the suction side of the blade was found to be most effective. Furthermore, performance analysis with tilt angle and rake was also performed.

풍력터빈 날개의 끝판과 레이크 효과에 대한 점성유동장 해석

최근 관심이 높아지고 있는 해상풍력 터빈의 성능평가를 위해 풍력터빈 날개에 대한 점성유동장 해석을 수행하였다. Fluent package를 사용하여 회전하는 비관성 좌표계에서 Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식의 해를 구하였다. 난 류 모형은 realizable k-$\varepsilon$ 모델을 사용하였으며, 격자계는 구조 격자계와 비구조 격자계를 혼합하여 사용하였다. 먼저 실험값이 공개되어 있는 2차원 날개에 대한 유동해석을 통해 수치계산 결과를 검증하였다. 다음으로 NACA 4-series 단면을 가지는 세 개의 날개가 2 MW의 정격출력을 내도록 설계된 풍력터빈 날개를 대상으로 회전수와 피치각을 고정시킨 상태에서 입사류의 속도를 변화하여 주속비 별로 성능해석을 수행하였다. 그리고 풍력터빈의 성능향상을 위해 날개의 끝에 세 가지 형태의 날개 끝판을 붙여 성능 변화를 추정하였다. 그 중에서 날개의 흡입면에 날개 끝판을 붙인 경우가 가장 우수한 성능을 보였다. 또한 풍력터빈 날개가 경사각과 레이크를 가진 경우에 대하여 출력계수를 각각 비교하였다.