Experimental study on the flow around a vertical axis wind turbine and its control using tubercles

Abstract

In the present study, an experimental study was conducted to investigate the unsteady flow characteristics of the flow around the vertical axis wind turbine and to improve the aerodynamic performance of the vertical axis wind turbine by using tubercles. The experiments were conducted at operating condition where Re = 120,000 based on rotor diameter and rotating speed was 300 – 1,100 rpm. The performance factor, the power coefficient which indicates a measure of the relative kinetic energy extracted from the flow, was measured by a rotary torque transducer and the velocity field was obtained by using a phase-averaged particle image velocimetry. As the rotor rotates, the dynamic stall occurs at the blade leading edge of the suction surface. We suggested the tubercles to control dynamic stall. By using tubercles to leading edge of the suction surface, the stall delayed, which improve the aerodynamic performance of the rotor.

본 연구에서는 수직축 풍력발전기 주위 유동의 비정상 유동 특성을 알아보고, 이를 제어함으로써 수직축 풍력발전기의 공력성능을 높이고자 실험적 연구를 수행하였다. 실험은 주 유동 속도와 회전 직경에 기초한 레이놀즈 수 120,000에서 수행하였으며, 운전 조건인 300 – 1100 rpm에서 수행하였다. 수직축 풍력발전기의 성능 계수는 회전식 토크 변환기를 통해 측정하여 주속비에 따른 수직축 풍력발전기의 성능계수 변화를 검증하였으며, 위상평균 영상입자유속계 (Phase-averaged PIV)를 이용하여 속도장을 측정하였다. 발전기가 회전함에 따라 날개의 받음각이 증가하여 날개 주변에서 유동박리와 와류가 발생하고, 날개 전단 흡입면에서 동적 실속이 발생하는 것을 확인하였다. 동적 실속을 제어함으로써 회전익의 공력 성능을 향상시키기 위해 날개 전단 흡입면에 돌기 형상의 유동제어장치를 적용하였다. 그 결과 돌기 형상의 유동제어장치가 유속 방향 와류가 하강운동을 유도하여 동적 실속 발생을 지연시킴으로써, 회전익의 공력 성능을 향상시킬 수 있음을 보였다.