Numerical analysis of nonuniform flow around a large wind turbine operating at variable speeds

Vilotijević, Vidosava (avtor), Svorcan, Jelena (avtor), Hondžo, Miki (avtor), Vušanović, Igor (avtor)

The increasing reliance on wind energy necessitates a deeper understanding of the unsteady aerodynamic behavior of wind turbines operating under variable speed conditions. This study employs computational fluid dynamics (CFD) simulations to investigate the flow dynamics around a large wind turbine subjected to height-dependent wind speed variations common within the atmospheric boundary layer (ABL). Utilizing a fine computational mesh and the k-ω shear stress transport (SST) turbulence model, we explored the interaction between wind turbine rotor aerodynamics, wake structures formation and evolution, and power performance under nonuniform operational conditions. The obtained numerical results highlight the nonlinear relationship between power output and angular velocity, demonstrating peak power generation at an optimal rotational speed (1.25 rad/s) before aerodynamic losses reduce performance. Additionally, the study examines variations in power and thrust coefficients, emphasizing their dependence on tip speed ratio and wind inflow characteristics. The computed power coefficient curve matches closely the corresponding experimental one, thus validating the adopted numerical setup as well as the assigned boundary conditions. Velocity contour analyses reveal critical regions of flow deceleration and separation, intensive turbulence, and wake interactions, providing insights for optimizing turbine design and control strategies. The findings underscore the importance of accurate inflow conditions and turbulence modeling in improving the reliability of estimated wind turbine.

• Jezik: Angleški jezik
• Ključne besede: wind turbine, nonuniform flow, computational fluid dynamics (CFD), variable speed operation, atmospheric boundary layer, power coefficient
• Vrsta gradiva: Članek v reviji
• Tipologija: 1.01 - Izvirni znanstveni članek
• Organizacija: FS - Fakulteta za strojništvo
• Status publikacije: Objavljeno
• Različica publikacije: Objavljena publikacija
• Leto izida: 2026
• Št. strani: Str. 183-192
• Številčenje: Vol. 72, no. 5/6
• PID: 20.500.12556/RUL-184879
• UDK: 62-854:533.6
• ISSN pri članku: 0039-2480
• DOI: 10.5545/sv-jme.2026.1713
• COBISS.SI-ID: 285054467
• Datum objave v RUL: 16.07.2026

Gradivo je del revije

• Naslov: Strojniški vestnik
• Skrajšan naslov: Stroj. vestn.
• Založnik: Zveza strojnih inženirjev in tehnikov Slovenije [etc.] = Association of Mechanical Engineers and Technicians of Slovenia [etc.
• ISSN: 0039-2480
• COBISS.SI-ID: 762116

Licence

• Licenca: CC BY 4.0, Creative Commons Priznanje avtorstva 4.0 Mednarodna
• Povezava: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.sl
• Opis: To je standardna licenca Creative Commons, ki daje uporabnikom največ možnosti za nadaljnjo uporabo dela, pri čemer morajo navesti avtorja.

Sekundarni jezik

• Jezik: Slovenski jezik

Izvleček

Naraščajoča odvisnost od vetrne energije zahteva poglobljeno razumevanje nestacionarnega aerodinamičnega obnašanja vetrnih turbin, ki obratujejo pri spremenljivih hitrostnih pogojih. V tej raziskavi je bila z uporabo simulacij računalniške dinamike tekočin (CFD) preučena dinamika toka okoli velike vetrne turbine, izpostavljene višinsko odvisnim spremembam hitrosti vetra, značilnim za atmosfersko mejno plast (ABL). Z uporabo goste računske mreže in turbulenčnega modela SST k-ω (shear stress transport) so bile analizirane interakcije med aerodinamiko rotorja vetrne turbine, nastankom in razvojem vrtinčnih struktur v sledi turbine ter proizvodnjo moči pri neenakomernih obratovalnih pogojih. Dobljeni numerični rezultati kažejo nelinearno odvisnost med proizvedeno močjo in kotno hitrostjo, pri čemer je največja moč dosežena pri optimalni vrtilni hitrosti 1,25 rad/s, nato pa se zaradi aerodinamičnih izgub zmogljivost zmanjša. Poleg tega raziskava obravnava spremembe koeficientov moči in sile potiska ter poudarja njihovo odvisnost od razmerja med obodno hitrostjo lopatic in hitrostnim profilom vetra ter od značilnosti vstopnega toka. Izračunana krivulja koeficienta moči se dobro ujema z ustreznimi eksperimentalnimi rezultati, kar potrjuje ustreznost uporabljenega numeričnega modela in izbranih robnih pogojev. Analiza kontur hitrosti razkriva ključna območja upočasnitve toka, odcepitve toka, intenzivne turbulence in interakcij v vrtinčni sledi turbine, kar prispeva k boljšemu razumevanju optimizacije zasnove vetrnih turbin in strategij njihovega krmiljenja. Ugotovitve poudarjajo pomen natančnega določanja vstopnih pogojev in ustreznega modeliranja turbulence za izboljšanje zanesljivosti numeričnih napovedi delovanja vetrnih turbin.

• Ključne besede: vetrna turbina, neenakomeren tok, računalniška dinamika tekočin (CFD), obratovanje pri spremenljivih hitrostnih pogojih, atmosferska mejna plast, koeficient moči