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문제 정의
- 본 연구에서는 이러한 풍력터빈의 축소효과를 관찰하기 위하여 전산유체역학을 이용하여 풍력터빈 유동장을 해석하였다. 해석모델은 NREL Phase VI로 선정하여 실험값과 비교 검 증하였고 이를 이용하여 다양한 축소모델에 대한 성능을 해석 하였다.
- 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 풍력터빈의 축소효과를 해석하였다. 해석도구로는 FLUENT를 사용하였으며 k-8 난류모델이 가장 시험값과 유사한 결과를 보였다.
가설 설정
- 해석 과정에서는 3차원 비압축성 Navier-Stokes 방정식 해법을 이용하였으며 계산은 모두 2차 의 공간정확도 조건으로 하였다. 또한, 계산시간을 고려하여 유동장을 모두 정상(steady) 유동으로 가정하였다.
제안 방법
- 경계조건은 유입유동의 경우 속도를 고정하는 velocity inlet 조건을 사용하였고 유출유동의 경우 대기압과 동일한 pressure outlet 조건을 사용하였다.
- 위에 언급한 방법을 이용하여 먼저 여러 난류모델에 대한 유 동해석을 수행하고 NREL Phase VI 결과와 비교하였다. 다음 으로 6m/s~25m/s 풍속조건에서 NREL 시험결과®와 비교하 였으며 최종적으로 여러 축소 모델에 대한 성능해석을 수행하였다. 계산에 사용한 풍력터 빈의 피치각 및 요각 조건은 각각 3 도와 0도로써 모두 동일하다.
- 해석모델은 NREL Phase VI로 선정하여 실험값과 비교 검 증하였고 이를 이용하여 다양한 축소모델에 대한 성능을 해석 하였다. 또한 축소모델의 풍동시험 과정에서 발생할 수 있는 대형 나셀로 인한 토크 감소효과를 살펴보았으며 최종적으로 풍력터빈의 코드확장에 따른 보정기법을 설명하고 이를 NREL Phase VI 풍력터빈에 적용하여 가능성을살펴보았다.
- 해석은 풍속 10m/s 조건에 대하여 수행하였으며 비교 가 용이하도록 상대적인 파워계수 및 추력계수를 비교하였다. 또한, 헬리콥터 로터의 축소효과를 관찰하기 위하여 TRAM(Tilt-Rotor Aeroacoustic Model) 프롭로터를 선택 전 진비행시 축소효과를 관찰하였다." 계산에 사용한 조건은 피치 각 26도, 블레이드의 끝단 마하수 및 전진비는 각각 0.
- 보정을 위한 단면길이 확장비는 모델 풍력터빈의 단면을 5%, 10% 그리고 15% 확장하여 실제 크기의 풍력터빈과 동일한 파워계수가 나오는 확장비를 내삽하여 결정하였다. 본 연구의 경우 위의 세 조건에 대하여 해석한 결과 14%, 8.
- 풍력터 빈의 유동장은 대부분 실속영역이나 이에 준하는 영역 에서 운용되므로 천이점을 정확히 예측하고 실속 예측능력이 우수한 난류모델을 선택해야 한다. 본 연구에서는 k-8, kF, Spalart- Allmaras 난류 모델 등 다양한 난류모델을 이용하여 유동을 해석하고 NREL 시험결과와 가장 유사한 모델을 선 택하여 축소효과 해석에 활용하였다.
- 블레이드, 표면은 정렬사각 격자를 이용하 였으며 점성계산을 위한 사각기등을 20개의 층으로 생성하였다. 원방경계 영역은 격자를 효율적으로 이용하기 위하여 정렬 격자를 이용하였고 블레이드와 원방경계의 사이(buffer zone) 는 비정렬 사면체 격자로 공간을 생성하였다. 격자의 수는 총 330만개 정도이며 이 중 절반이 블레이드 격자와 중간영역 (buffer zone)에 해당한다.
- 위에 언급한 방법을 이용하여 먼저 여러 난류모델에 대한 유 동해석을 수행하고 NREL Phase VI 결과와 비교하였다. 다음 으로 6m/s~25m/s 풍속조건에서 NREL 시험결과®와 비교하 였으며 최종적으로 여러 축소 모델에 대한 성능해석을 수행하였다.
- 유동해석 과정에서는 K-s, K-W, Spalart- Allmaras등 다양한 난류모델과 여러 풍속 조건(6m/s~25m/s)에 대하여 해석을 수행하고 NREL Phase VI 풍동시험 결과와 가장 유사한 모델을 선정하여 축소효과 수치해석 에 사용하였다.
- 풍력터빈의 축소효과를 관찰하기 위하여 5%, 10% 20% 40% 그리고 60%의 NREL Phase VI 모델에 대한 해석을 수행하였다. 해석은 풍속 10m/s 조건에 대하여 수행하였으며 비교 가 용이하도록 상대적인 파워계수 및 추력계수를 비교하였다.
- 풍속에 따른 풍력터빈의 축소효과를 관찰하기 위하여 NREL Phase VI 풍력터빈에 대하여 자유류 속도 10m/s 그리고 25m/s에 대하여 해석을 수행하였다.
- 해석결과를 바탕으로 3가지 조건에 대한 축소효과 보정을 시도하였다. 보정방법은 앞서 언급한 바 있는 블레이드 단면 확장법을 이용하였다.
- 풍력터빈의 축소효과를 관찰하기 위하여 5%, 10% 20% 40% 그리고 60%의 NREL Phase VI 모델에 대한 해석을 수행하였다. 해석은 풍속 10m/s 조건에 대하여 수행하였으며 비교 가 용이하도록 상대적인 파워계수 및 추력계수를 비교하였다. 또한, 헬리콥터 로터의 축소효과를 관찰하기 위하여 TRAM(Tilt-Rotor Aeroacoustic Model) 프롭로터를 선택 전 진비행시 축소효과를 관찰하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 이러한 풍력터빈의 축소효과를 관찰하기 위하여 전산유체역학을 이용하여 풍력터빈 유동장을 해석하였다. 해석모델은 NREL Phase VI로 선정하여 실험값과 비교 검 증하였고 이를 이용하여 다양한 축소모델에 대한 성능을 해석 하였다. 또한 축소모델의 풍동시험 과정에서 발생할 수 있는 대형 나셀로 인한 토크 감소효과를 살펴보았으며 최종적으로 풍력터빈의 코드확장에 따른 보정기법을 설명하고 이를 NREL Phase VI 풍력터빈에 적용하여 가능성을살펴보았다.
이론/모형
- 해석결과를 바탕으로 3가지 조건에 대한 축소효과 보정을 시도하였다. 보정방법은 앞서 언급한 바 있는 블레이드 단면 확장법을 이용하였다. 이 경우 반경은 유지하고 단면의 코드방 향 과 두께방향 길이를 확장한다.
- 본 연구에 사용된 유동해석 도구로는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하였다. 해석 과정에서는 3차원 비압축성 Navier-Stokes 방정식 해법을 이용하였으며 계산은 모두 2차 의 공간정확도 조건으로 하였다.
- k-8 Realizable 모델은 기존의 k-&모델을 수정한 것으로 역압 력 구배가 심하거나 유동박리가 있는 유동장의 해석에 적합하 다고 알려져 있다. 본 연구에서는 위의 결과를 바탕으로 k-e Realizable 모델을 축소효과 해석에 이용하였다.
- 가장 일반적인 보정 방법으로 블레이드의 앞전에 천이 도트(transition dot)를 부착, 강제로 난류로의 천이현상을 발생시켜 실제 풍력터빈과 유사한 유동을 모사하는 방법이 있으나 고정익과 달리 회전효과가 있고 실속특성도 위치별로 다르므로 이를 적용하기가 쉽지 않다. 참고로 천이 도트를 이용한 풍동실험은 유럽의 MEXICO(Model Rotor Experiments under Controlled Conditions). 프로젝트의 일부로 수행될 예정이다이 외에 블레이드 단면을 확장하여 축소효과를 보정하는 방법이 있으며 헬리콥터 풍동시험"에 사용되기도 하였다.
- 최종적으로 단면 길이 확장법을 이용하여 축소효과 보정을 시도하였다. 이 결과 실속 이전의 선형영역에서는 보정효과를 볼 수 있었으나 실속이후에서는 보정효과를 볼 수 없었다.
- 본 연구에 사용된 유동해석 도구로는 상용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하였다. 해석 과정에서는 3차원 비압축성 Navier-Stokes 방정식 해법을 이용하였으며 계산은 모두 2차 의 공간정확도 조건으로 하였다. 또한, 계산시간을 고려하여 유동장을 모두 정상(steady) 유동으로 가정하였다.
성능/효과
- 다만 풍속 10m/s 조건에서는 사용된 난류모델 이 실속을 다소 늦게 예측하여 토크는 약간 높게 예측하였으나 전반적으로 NREL 시험결과와 일치한다. Bending 모멘트 역시 풍속 10m/s 조건에서 다소 높지만 비교적 잘 예측하고 있어 본 방법을 풍력터빈의 해석에 무리 없이 사용할 수 있음을 알 수 있다.
- 반면 Spalart-Allmaras 모델이 나 k-w 모델의 경우 서로 유사하며 조기에 실속에 돌입하여 성능을 낮게 예측하였다. 계산결과 k-e Realizable 모델이 가장 유사했으며 k-8 RNG 모델도 비교적 근접한 결과를 보였다. k-8 Realizable 모델은 기존의 k-&모델을 수정한 것으로 역압 력 구배가 심하거나 유동박리가 있는 유동장의 해석에 적합하 다고 알려져 있다.
- 나셀로 인한 영향은 해석결과 크기가 지름의 20%인 경우에 대하여 토크 변화 2% 이내로 무시할만한 변화를 보여 항우연 표준풍력터빈 시험장치의 나셀이 충분히 이용 가능함을 확인할 수 있었다.
- 모델을 축소할 경우 토크 계수는 민감하게 반응하였으나 추 력계수는 변화가 거의 없었다. 또한, 풍속에 따른 축소효과를 관찰한 결과 풍속이 빠를 경우보다 큰 축소효과를 보였다.
- 보정을 위한 단면길이 확장비는 모델 풍력터빈의 단면을 5%, 10% 그리고 15% 확장하여 실제 크기의 풍력터빈과 동일한 파워계수가 나오는 확장비를 내삽하여 결정하였다. 본 연구의 경우 위의 세 조건에 대하여 해석한 결과 14%, 8.5% 그리고 3%의 단면을 확장하면 실제 풍력 터 빈과 동일한 파워계수를 유 지할 수 있었다.
- 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 풍력터빈의 축소효과를 해석하였다. 해석도구로는 FLUENT를 사용하였으며 k-8 난류모델이 가장 시험값과 유사한 결과를 보였다.
후속연구
- 본 연구 결과는 향후 항우연 표준풍력터빈 풍동시험을 통해 검증될 예정이며 축소효과 및 보정기법에 관한 연구 또한 지속적으로 진행될 예정이다.
- 표를 보면 NREL의 경우 실속 이후의 특성이 주 목적이었으나 항우 연의 경우 풍력터빈 풍동시험의 검증과 축소효과 보정에 관한 연구가 주로 계획되어 있다. 본 연구에서 도출한 결과는 향후 표준풍력터빈 시험결과를 이용하여 검증할 계획이며 동시에 축소효과를 보정할 수 있는 새로운 기법에 관한 연구도 지속적으로 수행할 예정이다.
- 본 연구에서 주로 다루어진 축소효과는 2006년 및 2007년 에 한국항공우주연구원 이하 항우 연) 내 중형아음속풍동에서 시험이 이루어질 예정이다. 풍동시험은 주로 검증시험, 축소효 과 및 보정기법 등에 관하여 이루어질 예정이며 시험장치 및 시험계획에 관해서는 본 논문의 후반부에 설명하기로 한다.
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