Unsteady Aerodynamic and Aeroacoustic Characteristics of a Horizontal-Axis Wind Turbine under Yaw-Control-Induced Partial Wake = 요 제어 기인 부분 후류로 인한 수평축 풍력 터빈 비정상 공력 및 소음 특성 변화에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 요 제어(yaw control)에 의해 형성되는 부분 후류(partial wake)가 후방 풍력터빈의 공력 및 소음 특성에 미치는 영향을 규명하기 위하여, 공력-소음 통합 해석 기법을 구축하였다. 제안된 해석 프레임워크는 FLORIS의 Curl 후류 모델, 비정상 와류 격자 기법(Unsteady Vortex Lattice Method, UVLM), 그리고 Brooks-Pope-Marcolini (BPM) 익형 뒷전 소음 모델을 결합하여, 요 비정렬(yaw misalignment)에 의해 발생하는 비균일 유입류(non-uniform inflow) 하에서의 시간 해상 공력-소음 해석을 가능하게 하였다. 제안된 모델은 대규모 와동 모사(LES) 결과 및 실규모 풍력터빈 실험 결과와의 비교 검증을 통해, 요 제어 터빈 후류의 편향 및 변형 특성뿐만 아니라 BPM 기반 뒷전 소음의 주요 스펙트럼 특성을 정확하게 재현함을 확인하였다.
보정된 Curl 모델은 안정(SBL) 및 중립(NBL) 대기경계층 조건에서 요 제어 터빈 후류의 핵심 특성을 성공적으로 재현하였으며, 후류 손실 및 후류 중심 위치에 대해 LES 결과와 전반적으로 잘 일치하였다. 요 각도가 증가함에 따라 후류 편향 및 Curl 기인 변형이 강화되었고, 양의 요에서는 후류의 횡방향 편향이 크고, 음의 요에서는 후류 중심 영역이 깊고 좁게 형성되는 비대칭적 특성이 나타났다. 이러한 경향은 난류 혼합이 약한 SBL 조건에서 더욱 두드러졌다. 또한 2차원 왜도(skewness) 분석을 통해, 요 크기가 증가할수록 후방 터빈 유입류의 비대칭성이 정량적으로 증가함을 확인하였다.
UVLM 기반의 비정상 공력 해석 결과, 유효 받음각(AOAEFF) 및 루트 플랩 방향 굽힘 모멘트(RFBM)의 시간 변동성이 요 크기가 증가함에 따라 커졌으며, 특히 SBL 조건 및 음의 요에서 변동 폭이 크게 나타났다. 이는 유입류의 비대칭성이 강할수록 후방 터빈의 공력 하중 변동성이 증가함을 의미하며, 요 제어 운용 시 피로하중이 증가할 가능성을 시사한다.
또한 BPM 모델을 이용한 소음 해석 결과, 후류 손실로 인해 후방 터빈의 총 음압수준(OASPL)은 전방 터빈보다 전반적으로 작게 나타났으나, 양의 요에서 OASPL이 다소 증가하였다. 후방 터빈의 소음 지향성은 wake deflection 방향과 일관된 횡방향 비대칭성(lateral asymmetry)을 보였으며, 로터 블레이드 회전에 따른 대류 증폭(convective amplification) 효과로 인해 요가 0°인 조건에서도 터빈 좌측에서 더 높은 소음이 관측되었다.
후방 터빈의 진폭 변조(Amplitude Modulation, AM) 특성을 분석한 결과, AM 강도는 횡방향에서 가장 높게 나타났으며, 전방 터빈 요 변화에 대해 비선형적인 변화 경향을 보였다. 요 각도에 따른 AM 강도의 변화는 터빈 블레이드가 위에서 아래로 내려가는 방향에 위치한 회방향 관측지점에서 가장 크게 나타났다. 특히, SLB 조건에서 15 정도의 중간 크기 요 각도가 적용되었을 때 AM 강도가 크게 증가하였다. 이러한 결과는 후류 조향 적용 시 출력 증대가 발생하는 요 각도에 대하여 총 출력 증대 효과와 AM 특성이 서로 상충할 수 있음을 의미한다. 블레이드별 상세 해석 결과, AM 강도는 단순한 유입류 비대칭성뿐 아니라 회전에 의한 대류 증폭 효과와 비균일 유입류의 복합 작용에 의해 결정됨을 확인하였다.
본 연구는 요 제어 후류의 비대칭성, 비정상 공력하중, 및 소음 변조 특성 간의 물리적 연계성을 규명함으로써, 다중 터빈 환경에서의 요 제어에 따른 공력-소음 상호작용 메커니즘을 명확히 제시하였다. 또한 후류 조향(wake steering)이 풍력단지의 발전 효율 향상에는 기여하더라도, 후방 터빈의 비정상 하중 및 소음 변동을 증대시킬 수 있음을 보여주었으며, 그 영향은 요 방향 및 대기 안정도에 따라 달라짐을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This dissertation presents a coupled aerodynamic-aeroacoustic analysis framework to investigate the influence of yaw-control-induced partial wakes on the unsteady aerodynamic and noise characteristics of downstream wind turbines. The framework integrates the Curl wake model implemented in FLOw Redirection and Induction in Steady-state (FLORIS), the Unsteady Vortex Lattice Method (UVLM), and the Brooks-Pope-Marcolini (BPM) trailing-edge noise model to enable time-resolved simulations under spatially non-uniform inflow conditions caused by yaw misalignment. Validation against large-eddy simulation (LES) data and field measurements demonstrated that the coupled model accurately captures both wake deflection and deformation, as well as the dominant spectral characteristics of trailing-edge noise.
The Curl model was calibrated to LES data and successfully reproduced the key features of yawed turbine wakes under stable (SBL) and neutral (NBL) atmospheric boundary layer conditions, showing good agreement with LES results in terms of wake deficit and center displacement. The results revealed that wake rotation induces asymmetric deflection depending on yaw direction, with stronger lateral shifts under positive yaw and deeper wake cores under negative yaw, effects that become more pronounced under SBL due to reduced turbulent mixing. A two-dimensional skewness analysis quantitatively confirmed that downstream inflow asymmetry intensifies with yaw magnitude.
Unsteady aerodynamic analyses using UVLM showed that aerodynamic load fluctuations, represented by the effective angle of attack (AOAEFF) and root flapwise bending moment (RFBM), increased with yaw magnitude - more significantly under SBL and negative yaw. These findings indicate that enhanced inflow asymmetry can amplify the unsteady loading of downstream turbines, implying greater fatigue risk during wake steering operation.
Coupled acoustic analyses based on the BPM formulation revealed that downstream turbines experienced lower overall sound pressure levels (OASPL) due to wake deficits but exhibited a slight OASPL increase with yaw magnitude, particularly for positive yaw. The trailing-edge noise directivity exhibited clear lateral asymmetry consistent with wake deflection direction, and convective amplification effects associated with rotor rotation led to higher noise on the left side even at zero yaw. Furthermore, amplitude modulation (AM) analysis showed that AM strength was highest in the crosswind direction and varied nonlinearly with yaw angle. The variation in AM strength was most pronounced in the direction where the turbine blades move downward, and a substantial increase in AM strength was observed under positive moderate yaw conditions under stable atmospheric condition. Blade-resolved analysis demonstrated that AM behavior is jointly governed by rotational convective amplification and non-uniform inflow distribution.
Overall, this study elucidates the coupled aerodynamic and aeroacoustic mechanisms linking yaw-induced wake asymmetry, unsteady loading, and acoustic modulation in multi-turbine systems. The findings suggest that while wake steering can improve wind-farm power efficiency, it may also intensify unsteady aerodynamic and acoustic phenomena in downstream turbines, depending on yaw direction and atmospheric stability.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Tables v
• List of Figures vi
• Nomenclature ix
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background and motivation 1
• 1.2. Research objectives 13
• 1.3. Outline of dissertation 15
• Chapter 2. Development of the coupled analysis model 16
• 2.1. Overview 16
• 2.2. Wake prediction Model 19
• 2.2.1. FLORIS 19
• 2.2.2. Curl wake model 21
• 2.3. Aerodynamic analysis model 28
• 2.3.1. Unsteady vortex lattice method (UVLM) 28
• 2.3.2. Nonlinear vortex correction method (NVCM) 31
• 2.3.3. Coupling process: FLORIS and UVLM 33
• 2.4. Noise prediction model 35
• 2.4.1. BPM formulation: trailing-edge noise 35
• Chapter 3. Validation of the coupled analysis model 39
• 3.1. Validation of aerodynamic model 39
• 3.1.1. Single wind turbine case (UVLM) 39
• 3.1.2. Two-turbine case (Curl-UVLM) 44
• 3.2. Validation of noise prediction model 49
• Chapter 4. Effects of yaw-control-induced partial wake 52
• 4.1. Simulation setup 52
• 4.1.1. Atmospheric boundary layer 52
• 4.1.2. Wind turbine model 54
• 4.1.3. Setup of observer points for noise prediction 56
• 4.2. Wake prediction results 57
• 4.3. Unsteady aerodynamic results 69
• 4.4. Noise prediction results 77
• Chapter 5. Conclusion 90
• Bibliography 93
• 국문 초록 102