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Numerical study on the flow around a vertical axis wind turbine and its control using an automatic moving deflector : 수직축 풍력발전기 주위 유동에 관한 수치 해석 연구 및 자동 디플렉터를 이용한 유동 제어

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Authors
김형민
Advisor
최해천
Major
공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공)
Issue Date
2019-02
Publisher
서울대학교 대학원
Description
학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부(멀티스케일 기계설계전공), 2019. 2. 최해천.
Abstract
We perform large eddy simulation with an immersed boundary method to analyze the flow around a vertical axis wind turbine (VAWT). We verify the performance of a three-blade VAWT with the tip speed ratio at the Reynolds number of 80,000 based on the rotor diameter and free-stream velocity. The blades of the VAWT undergo rotational motion due to the free-stream velocity, and dynamic stall occurs as the blades angle of attack exceeds the static stall angle. Flow separation and vortex shedding occur during dynamic stall and the blades pass through the wake from the preceding blades. In the upwind region, the power of a blade increases with increasing angle of attack, but decreases as flow separates at the leading edge of the blade and a large leading edge vortex is formed. On the other hand, the power of a blade changes mildly in the downwind region. We apply an automatic moving deflector (AMD), inspired by secondary feather of a birds wing, to the inner surfaces of blades where flow separation occurs during dynamic stall. When flow separation occurs, the AMD pops up automatically suppressing the leading edge vortex formation. Then, the pressure distribution on the blades surface changes and drag is reduced. Consequently, the performance of the VAWT is enhanced at the tip speed ratios lower than 1.2.
본 연구에서는 수직축 풍력발전기 회전익 주변의 유동 및 공력성능을 분석하기 위해 주 유동 속도와 회전 직경을 기준으로 한 레이놀즈 수 80,000에서 큰 에디 모사 시뮬레이션을 수행하였다. Tip speed ratio에 따른 수직축 풍력발전기의 효율 변화를 검증하고, 최적 tip speed ratio에서 회전익 위치에 따른 공력성능 특성을 분석하였다. 상류지역에서 회전익의 받음각이 증가함에 따라 회전익의 양력이 항력보다 크게 상승하다가, 주변에서 유동박리와 와류발생이 일어나고 동적 실속이 발생하여 양력이 크게 감소하게 된다. 반면, 하류지역에서는 유동 변화에도 불구하고 회전익의 공력성능의 변화가 거의 일어나지 않는다. 상류지역에서 동적 실속이 일어날 때 회전익의 공력성능을 향상시키기 위해 automatic moving deflector (AMD)를 적용하였다. 동적 실속 과정에서 AMD는 유동에 의해 자동으로 열리게 닫히게 되고, AMD가 열릴 때 유동박리와 와류 발생이 억제됨에 따라 항력이 감소하는 것을 확인하였다. 결과적으로 수직축 풍력발전기의 효율은 tip speed ratio가 0.8과 1일 때 향상되는 것을 확인하였다.
Language
eng
URI
https://hdl.handle.net/10371/150690
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Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Mechanical Aerospace Engineering (기계항공공학부)Theses (Master's Degree_기계항공공학부)
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