[학위논문]파랑 중 부유식 파력발전장치 발전 성능 해석을 위한 유체-다물체동역학 연성 시뮬레이션 기법 개발 Development of Fluid-Multibody Dynamics Coupling Simulation Method for Analysis of Power Generation Performance of Floating Wave Energy Converter in Waves원문보기
전 세계적인 지구온난화 문제로 신재생에너지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히 다양한 장점을 가지고 있는 파력발전장치에 대한 연구 또한 지속적으로 이루어져 왔다. 하지만 현재까지 파력발전장치 기술의 수준이 상용화 단계에는 이르지 못하고 있으며, 다양한 유형의 파력발전장치에 관한 연구가 진행 중에 있다. 본 논문에서는 제안된 파력발전 장치 중 가장 큰 비율을 차지하는 점 흡수식 유형에 해당하는 부유 파력발전장치의 파랑 중 운동 및 발전 성능 예측을 위한 유체-다물체동역학 ...
전 세계적인 지구온난화 문제로 신재생에너지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히 다양한 장점을 가지고 있는 파력발전장치에 대한 연구 또한 지속적으로 이루어져 왔다. 하지만 현재까지 파력발전장치 기술의 수준이 상용화 단계에는 이르지 못하고 있으며, 다양한 유형의 파력발전장치에 관한 연구가 진행 중에 있다. 본 논문에서는 제안된 파력발전 장치 중 가장 큰 비율을 차지하는 점 흡수식 유형에 해당하는 부유 파력발전장치의 파랑 중 운동 및 발전 성능 예측을 위한 유체-다물체동역학 연성시뮬레이션 기법에 관한 연구를 수행하였다. 유동 해석을 위해 본 논문에서는 경계면이 크게 변화하는 문제에 있어 장점을 가지고 있는 입자법을 사용하였으며, 특히 계산속도에 강점을 가지고 있는 weakly compressible smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) 방법 기반 오픈소스 프로그램인 DualSPHysics v4.4.12을 활용하였다. 하지만 기존 프로그램에서 압력 계산 시 부정확성 및 불안정성이 존재하며, 2차원 정수압 및 파랑 생성 테스트를 통해 원인을 파악하고 새로운 안정화 계산 방법 제안을 통해 기존 유동해석 프로그램을 개선하였다. 또한 개선된 유동해석 프로그램과 다물체동역학 상용 프로그램인 Recurdyn과의 2-way 연성 해석 시스템을 구축하였다. 개선된 유동해석 프로그램 및 연동 시스템의 수치파랑수조 및 부유체 해석에 관한 성능은 2차원 파랑 중 단순 사각형 부유체 운동 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 정량적 검증을 위해 Stokes 2차 이론해, MPS 시뮬레이션, Ren et al. (2015)의 실험 및 SPH 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 또한 수치파랑수조 내 반사파에 의한 영향을 줄이기 위한 새로운 소파기술을 개발하고 이에 관한 파라미터 테스트를 수행하였다. 마지막으로 규칙파 중 3차원 단순 실린더 형상 부유체의 PTO장치 유무에 따른 heave운동 문제에 대해 실험과 비교하여 검증하였다. 3차원 파랑 생성 수행에 관한 테스트를 수행하고, 부유식 파력발전장치 및 PTO시스템을 모델링하여 발전 성능 해석 시뮬레이션을 수행하여 모형실험과 3가지 다른 PTO계수 케이스에 대해 검증하였다. 최종적으로 파력발전장치 성능 향상을 위한 형상 개선 아이디어 2가지를 적용하여 해석을 수행하였고, 효율 향상 원인 분석 및 기존 형상 대비 효율 증가 비율을 도출하였다.
전 세계적인 지구온난화 문제로 신재생에너지에 대한 수요가 증가하고 있으며, 특히 다양한 장점을 가지고 있는 파력발전장치에 대한 연구 또한 지속적으로 이루어져 왔다. 하지만 현재까지 파력발전장치 기술의 수준이 상용화 단계에는 이르지 못하고 있으며, 다양한 유형의 파력발전장치에 관한 연구가 진행 중에 있다. 본 논문에서는 제안된 파력발전 장치 중 가장 큰 비율을 차지하는 점 흡수식 유형에 해당하는 부유 파력발전장치의 파랑 중 운동 및 발전 성능 예측을 위한 유체-다물체동역학 연성 시뮬레이션 기법에 관한 연구를 수행하였다. 유동 해석을 위해 본 논문에서는 경계면이 크게 변화하는 문제에 있어 장점을 가지고 있는 입자법을 사용하였으며, 특히 계산속도에 강점을 가지고 있는 weakly compressible smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) 방법 기반 오픈소스 프로그램인 DualSPHysics v4.4.12을 활용하였다. 하지만 기존 프로그램에서 압력 계산 시 부정확성 및 불안정성이 존재하며, 2차원 정수압 및 파랑 생성 테스트를 통해 원인을 파악하고 새로운 안정화 계산 방법 제안을 통해 기존 유동해석 프로그램을 개선하였다. 또한 개선된 유동해석 프로그램과 다물체동역학 상용 프로그램인 Recurdyn과의 2-way 연성 해석 시스템을 구축하였다. 개선된 유동해석 프로그램 및 연동 시스템의 수치파랑수조 및 부유체 해석에 관한 성능은 2차원 파랑 중 단순 사각형 부유체 운동 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 정량적 검증을 위해 Stokes 2차 이론해, MPS 시뮬레이션, Ren et al. (2015)의 실험 및 SPH 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 또한 수치파랑수조 내 반사파에 의한 영향을 줄이기 위한 새로운 소파기술을 개발하고 이에 관한 파라미터 테스트를 수행하였다. 마지막으로 규칙파 중 3차원 단순 실린더 형상 부유체의 PTO장치 유무에 따른 heave운동 문제에 대해 실험과 비교하여 검증하였다. 3차원 파랑 생성 수행에 관한 테스트를 수행하고, 부유식 파력발전장치 및 PTO시스템을 모델링하여 발전 성능 해석 시뮬레이션을 수행하여 모형실험과 3가지 다른 PTO계수 케이스에 대해 검증하였다. 최종적으로 파력발전장치 성능 향상을 위한 형상 개선 아이디어 2가지를 적용하여 해석을 수행하였고, 효율 향상 원인 분석 및 기존 형상 대비 효율 증가 비율을 도출하였다.
Demand for renewable energy is increasing due to global warming problems. In particular, research on wave energy converters having various advantages has been continuously conducted. However, until now, the level of wave energy converter technology has not reached the stage of commercialization, and...
Demand for renewable energy is increasing due to global warming problems. In particular, research on wave energy converters having various advantages has been continuously conducted. However, until now, the level of wave energy converter technology has not reached the stage of commercialization, and studies on various types of wave energy converters are in progress. In this paper, a study on the fluid-multibody dynamics coupling simulation method for predicting the motion and power generation performance in waves of the floating wave power generation system, which is the point absorption type, which occupies the largest proportion of the proposed wave energy converters, was conducted. For flow analysis, the particle method, which has an advantage in the problem of largely changing the boundary surface, was used. In particular, DualSPHyiscs v4.4.12, an open source program based on weakly compressible smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) method, which has an advantage in computational speed, was used. However, there are inaccuracies and instability when calculating pressure in the existing program, and the cause was identified through a two-dimensional hydrostatic pressure and wave generation test, and the existing program was improved through a new stabilization calculation method. In addition, a 2-way coupled analysis system was established between the improved flow analysis program and RecurDyn which is a commercial multibody dynamic program. The performance of the improved flow analysis program-based coupling system on the analysis of the numerical wave tank and the floating body was validated through a two-dimensional simulation of a simple quadrangular floating body motion in waves. For quantitative validation, the present results were compared with Stokes 2nd order theory and the results of experiments and MPS simulation and SPH simulation of Ren et al. (2015). In addition, tests were conducted on artificial wave absorption technology which was newly proposed to reduce the influence of reflected waves in the numerical wave tank. Finally, 3D simple cylinder float in regular wave was simulated and the results was compared with experiment for validation. A test on the performance of 3D wave generation was performed, and a simulation was performed for prediction of power generation performance by modeling a floating wave energy converter and power take-off(PTO) system. And the results was validated with experiment for three different PTO damping case. Finally, the analysis was performed by applying two modification of shape ideas to improve the performance of the wave energy converter, and the cause of the efficiency improvement was analyzed and the ratio of efficiency increase compared to the original shape was derived.
Demand for renewable energy is increasing due to global warming problems. In particular, research on wave energy converters having various advantages has been continuously conducted. However, until now, the level of wave energy converter technology has not reached the stage of commercialization, and studies on various types of wave energy converters are in progress. In this paper, a study on the fluid-multibody dynamics coupling simulation method for predicting the motion and power generation performance in waves of the floating wave power generation system, which is the point absorption type, which occupies the largest proportion of the proposed wave energy converters, was conducted. For flow analysis, the particle method, which has an advantage in the problem of largely changing the boundary surface, was used. In particular, DualSPHyiscs v4.4.12, an open source program based on weakly compressible smoothed particle hydrodynamics (WCSPH) method, which has an advantage in computational speed, was used. However, there are inaccuracies and instability when calculating pressure in the existing program, and the cause was identified through a two-dimensional hydrostatic pressure and wave generation test, and the existing program was improved through a new stabilization calculation method. In addition, a 2-way coupled analysis system was established between the improved flow analysis program and RecurDyn which is a commercial multibody dynamic program. The performance of the improved flow analysis program-based coupling system on the analysis of the numerical wave tank and the floating body was validated through a two-dimensional simulation of a simple quadrangular floating body motion in waves. For quantitative validation, the present results were compared with Stokes 2nd order theory and the results of experiments and MPS simulation and SPH simulation of Ren et al. (2015). In addition, tests were conducted on artificial wave absorption technology which was newly proposed to reduce the influence of reflected waves in the numerical wave tank. Finally, 3D simple cylinder float in regular wave was simulated and the results was compared with experiment for validation. A test on the performance of 3D wave generation was performed, and a simulation was performed for prediction of power generation performance by modeling a floating wave energy converter and power take-off(PTO) system. And the results was validated with experiment for three different PTO damping case. Finally, the analysis was performed by applying two modification of shape ideas to improve the performance of the wave energy converter, and the cause of the efficiency improvement was analyzed and the ratio of efficiency increase compared to the original shape was derived.
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