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제안 방법
- FLUENT의 경우 입력 값에서 유속을 변화시켜 간단하게 유량을 조절할 수 있지만, 실제 수리 실험에서 유량의 변화마다 그 값을 정확하게 측정해야 하기 때문에, 유량은 자인 테크놀로지(주)에서 제작한 초음파유량계를 사용하여 측정하였다. Fig.
- 4m로 설정하였다. Velocity_inlet에서의 유속입력 값은 0.3m/s부터 13m/s에 이르기까지 다양한 유속에 대해 해석을 진행하였다. 특히 대부분 상수도관 내에서 유속의 흐름은 0.
- 경계조건의 경우 유체가 관로 내에 흘러들어오는 면을 Velocity_inlet으로 설정하였고, 유체의 출구평면의 경우 Pressure_outlet으로 설정하였다. 두 면은 동일하게 Turbulence Method로 Intensity and Hydraulic Diameter Method를 사용하였으며, Turbulent Intensity는 5%, Hydraulic Diameter는 관로의 윤변을 고려하여 0.
- 기존에 사용되었던 블레이드의 형상과 실험결과를 바탕으로, 블레이드의 각도, 날개의 개수, 형상이 회전모멘트와 유체흐름에 미치는 영향과 Separator에 의한 간섭영향을 조사하였다. 회전모멘트변화 및 ε, k값 등의 변화 평가를 통해 최적의 블레이드 형상을 제시하고자 하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 기존의 기계식 유량계에 일반적으로 사용되는 블레이드를 바탕으로 자가발전을 진행하였을 때, 얼마나 큰 전력량이 발생하는지 측정해보기 위해서, 건식실험에서는 오실로스코프를 이용하였으며, 수리실험에서는 멀티미터를 이용하여 전력발생량을 측정하였다.
- 날개의 각도는 Fig. 2과 같이 유체의 주 흐름방향에 수직인 음의 Y축에 대한 날개의 기울어진 정도를 각도로 지정하였고, 날개의 각도는 45도에서부터 70도까지 5도에서 2.5도의 변화를 주어가면서 모델링을 수행하였다. 초기각도인 45도는 현재 사용되는 기계식 유량계의 설계 각도를 고려하여 설정하였고, 최종 날개 각도의 경우 과도한 날개각도의 증가시 유체흐름에 지나친 방해가 될 수 있고, 수격현상이 발생할 가능성이 커 해석의 필요성이 떨어지기 때문에 70도까지만 각도를 증가시켜가면서 모델링을 진행 하였다.
- 경계조건의 경우 유체가 관로 내에 흘러들어오는 면을 Velocity_inlet으로 설정하였고, 유체의 출구평면의 경우 Pressure_outlet으로 설정하였다. 두 면은 동일하게 Turbulence Method로 Intensity and Hydraulic Diameter Method를 사용하였으며, Turbulent Intensity는 5%, Hydraulic Diameter는 관로의 윤변을 고려하여 0.4m로 설정하였다. Velocity_inlet에서의 유속입력 값은 0.
- 따라서 계량기에 사용되는 블레이드를 최적화 하여 유량 측정의 정확도를 높이고, 관수로 내의 유체흐름을 이용한 소규모 발전장치를 개발한다면, 전 유속에서의 유량 측정의 정확도를 높일 수 있고, 에너지의 재활용이라는 측면에서도 친환경적인 전력 생산을 통해 세계적인 추세에 발맞춰 갈 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 본 연구에서는 시중에서 일반적인 기계식 계량기에 사용되는 블레이드 모델을 바탕으로 자가발전시스템을 구축하여 전력생산량을 측정한 뒤, 설치된 자가발전장 지의 블레이드의 날개 개수, 날개의 각도, 날개의 형상, 분리기의 유무에 따른 기존의 블레이드와의 효율변화, 유체흐름을 전산유체역학을 통해 비교하여 수격현상을 방지하면서도 효율적인 자가발전이 가능한 최적 블레이드 설계요소 도출을 수행하였다.
- 추가적으로 초음파유량계의 뒤편에 자가발전장치가 설치되었을 때, 자가발전장치로 인한 유체의 흐름변화가 초음파 유량계에 나타나지 않는 범위를 알아보았다. 모델링의 Mesh 작업은 Tet/Hybrid mesh를 적용하였으며, face의 경우 2mm 간격으로 Interior의 경우 5mm 간격으로 mesh작업을 수행 하였다.
- 스테핑 모터를 이용하여 일정한 주파수를 인가하여 속도를 일정하게 변화시켜 회전시키는 방식으로 하여 운영하고, 이를 정류하여, 오실로스코프로 출력되는 결과 값을 정리하였으며, 그 결과 데이터는 National Instrument 사의 LabVIEW 프로그램을 이용하여 회전수에 따른 전력발생량을 디지털 방식으로 입력받았다. 본 실험 설비를 통해 유량을 임의로 변화시켜 유량계의 계측 값을 초음파 유량계를 통해 알아내고, 그에 따른 자가발전장치의 전력 발생량은 멀티미터를 통해 산출해 내었다.
- 본 연구에 사용된 소형발전기는 일본의 Nippon사에서 제조되었으며, PE24KE 개량형 모델이다. 본 연구에서 사용될 소형 발전기는 저유속에서 발전되는 전력량을 최대한 이용할 수 있고, 동시에 관내의 수압을 견뎌내어 작동할 수 있는 방수성도 필요하였다. 모델은 이러한 목적에 부합하는 것을 선정하였으며, Fig.
- 본 연구에서는 전산유체해석(CFD)전용 Solver인 fluent X를 이용하여 해석을 하였다. CFD에서는 여러 가지 Solver를 경우에 따라 선택적으로 이용하여 해석을 하게 된다.
- 수리 실험을 수행하기 전에 건식 실험을 통하여 발전기의 회전수에 따른 전력발생량을 측정하였다. 스테핑 모터를 이용하여 일정한 주파수를 인가하여 속도를 일정하게 변화시켜 회전시키는 방식으로 하여 운영하고, 이를 정류하여, 오실로스코프로 출력되는 결과 값을 정리하였으며, 그 결과 데이터는 National Instrument 사의 LabVIEW 프로그램을 이용하여 회전수에 따른 전력발생량을 디지털 방식으로 입력받았다.
- 수리 실험을 수행하기 전에 건식 실험을 통하여 발전기의 회전수에 따른 전력발생량을 측정하였다. 스테핑 모터를 이용하여 일정한 주파수를 인가하여 속도를 일정하게 변화시켜 회전시키는 방식으로 하여 운영하고, 이를 정류하여, 오실로스코프로 출력되는 결과 값을 정리하였으며, 그 결과 데이터는 National Instrument 사의 LabVIEW 프로그램을 이용하여 회전수에 따른 전력발생량을 디지털 방식으로 입력받았다. 본 실험 설비를 통해 유량을 임의로 변화시켜 유량계의 계측 값을 초음파 유량계를 통해 알아내고, 그에 따른 자가발전장치의 전력 발생량은 멀티미터를 통해 산출해 내었다.
- 자가발전장치 내부에 separator의 여부에 따른 모터효율을 알기위해서 추가적으로 separator의 존재 여부에 따른 해석을 진행하였다. 추가적으로 초음파유량계의 뒤편에 자가발전장치가 설치되었을 때, 자가발전장치로 인한 유체의 흐름변화가 초음파 유량계에 나타나지 않는 범위를 알아보았다.
- 5도의 변화를 주어가면서 모델링을 수행하였다. 초기각도인 45도는 현재 사용되는 기계식 유량계의 설계 각도를 고려하여 설정하였고, 최종 날개 각도의 경우 과도한 날개각도의 증가시 유체흐름에 지나친 방해가 될 수 있고, 수격현상이 발생할 가능성이 커 해석의 필요성이 떨어지기 때문에 70도까지만 각도를 증가시켜가면서 모델링을 진행 하였다. 최적 각도로 예상되는 60도를 전후로 하여 55도에서 65도까지 2.
- 초기각도인 45도는 현재 사용되는 기계식 유량계의 설계 각도를 고려하여 설정하였고, 최종 날개 각도의 경우 과도한 날개각도의 증가시 유체흐름에 지나친 방해가 될 수 있고, 수격현상이 발생할 가능성이 커 해석의 필요성이 떨어지기 때문에 70도까지만 각도를 증가시켜가면서 모델링을 진행 하였다. 최적 각도로 예상되는 60도를 전후로 하여 55도에서 65도까지 2.5씩 각도의 변화 폭을 줄여가면서 모델링을 진행하였다.
- 자가발전장치 내부에 separator의 여부에 따른 모터효율을 알기위해서 추가적으로 separator의 존재 여부에 따른 해석을 진행하였다. 추가적으로 초음파유량계의 뒤편에 자가발전장치가 설치되었을 때, 자가발전장치로 인한 유체의 흐름변화가 초음파 유량계에 나타나지 않는 범위를 알아보았다. 모델링의 Mesh 작업은 Tet/Hybrid mesh를 적용하였으며, face의 경우 2mm 간격으로 Interior의 경우 5mm 간격으로 mesh작업을 수행 하였다.
- 3m/s부터 13m/s에 이르기까지 다양한 유속에 대해 해석을 진행하였다. 특히 대부분 상수도관 내에서 유속의 흐름은 0.3m/s에서 1m/s의 범위 안에 분포하기 때문에 0.3m/s에서 1.1m/s까지 5개의 유속을 샘플로 하에 이에 대한 해석을 진행하였고, 이어서 1.5m/s에서 13m/s까지 마찬가지로 5개의 유속에 대한 해석을 진행하였다.
- 해석을 위해 날개의 개수는 10개, 12개, 15개까지 변화시키면서 모델링을 하였고, 개수를 10개, 12개, 15개로 가정하고 모델링을 진행한 이유는 현재 일반적인 기계식 유량계에서 사용되는 날개의 개수가 12개이고, 날개의 개수가 너무 많아지게 될 경우 블레이드의 생산에 있어 경제성이 현저하게 감소하기 때문에, 최대치를 15개로 모델링하고, 최소 날개 개수를 10개로 모델링하여 날개 개수에 따른 경향성을 살펴보려고 하였다.
- 회전모멘트변화 및 ε, k값 등의 변화 평가를 통해 최적의 블레이드 형상을 제시하고자 하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
- 발전기는 유체가 블레이드를 통과하면서 발생하는 모멘트로 변환된 구동력을 전력으로 변환시켜주는 구성요소이다. 본 연구에 사용된 소형발전기는 일본의 Nippon사에서 제조되었으며, PE24KE 개량형 모델이다. 본 연구에서 사용될 소형 발전기는 저유속에서 발전되는 전력량을 최대한 이용할 수 있고, 동시에 관내의 수압을 견뎌내어 작동할 수 있는 방수성도 필요하였다.
- 자가발전장치 내부에서 사용되는 블레이드의 경우 관로의 크기에 따른 직경과 날개 개수, 날개의 각도, 전체적인 형상에 따라서 그 구체적인 치수가 결정되게 된다. 블레이드 모형의 재질은 관수로 내의 작은 유속에도 작동할 수 있을 정도로 가볍고, 내구성이 좋고, 물에 의한 화학적 침식과 같은 반응에 대한 영향을 받지 않는 Polyethylene(PE)을 이용하였다. 수차의 직경은 88mm 이고, 수차 날개의 유효길이는 26mm이었다.
이론/모형
- CFD에서는 여러 가지 Solver를 경우에 따라 선택적으로 이용하여 해석을 하게 된다. 본 연구에서는 Solver로 Energy equation과 Pressure Based Solver를 사용하여 해석을 진행하였고, Viscous Model의 경우 standard k-epsilon 모델을 채택하였다. 식 (1)과 식 (2)를 이용해 해석이 되는 standard k-epsilon 모델의 경우 turbulent모델을 해석하는 가장 대표적인 모델일 뿐만 아니라, turbulent kinetic energy의 정도를 알 수 있는 k값과 turbulent의 크기정도를 예측할 수 있는 ε(epsilon)값을 동시에 해석 수 있어, 유체의 흐름에 있어서 자가발전장치의 설치로 인해 나타날 수 있는 수격현상과 간섭효과로 인한 에너지의 손실정도를 예측 수 있다.
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