[논문]조류발전 시스템용 쉬라우드의 형상각도별 일정 조류속도장 내 해수유동 특성연구

김종원; 이상호

doi:10.9765/kscoe.2012.24.2.077

초록
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수평축 조류발전 시스템에 사용되는 쉬라우드의 기하학적 형상각도별 해수의 유동장 특성을 전산유체역학을 통해 분석하였다. 쉬라우드를 포함한 전체 유동장 내 해수의 유속 분포는 일정한 조류속도조건에서 쉬라우드의 형상에 따라 크게 영향을 받으며 특히 발전성능에 직접적으로 영향을 미치는 쉬라우드 내 최대유속의 위치 및 크기는 형상 별로 큰 차이가 있다. 실린더와 디퓨저부분의 길이가 같은 실린더-디퓨저 형태의 쉬라우드에서는 실린더 영역에서 비교적 높은 유속분포가 형성되었으며 노즐과 디퓨저부분의 길이가 같은 대칭구조의 노즐-디퓨저에서는 내경이 최소인 지점에서 국부적으로 나타났다. 실린더-디퓨저 쉬라우드에서 조류속도에 비해 높은 유속이 형성되었으며 중심축상의 유속은 노즐-디퓨저와는 다르게 쉬라우드 입구 근처에서 점차 증가하기 시작하여 실린더부분의 중앙 부근에서 피크값을 지나 디퓨저에서 급격히 감소한 후 다시 일정한 속도로 유지되어 가는 특성을 나타내었다. 이러한 쉬라우드의 형상과 해수유동장 변화특성에 대한 분석결과는 효율적인 조류발전시스템을 위한 쉬라우드의 최적설계에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical analyses through Computational Fluid Dynamics have been performed to investigate the seawater flow field characteristics for various shrouds used in horizontal axis tidal current turbine systems. Seawater flow characteristics are largely influenced under constant tidal current velocity by ...

Numerical analyses through Computational Fluid Dynamics have been performed to investigate the seawater flow field characteristics for various shrouds used in horizontal axis tidal current turbine systems. Seawater flow characteristics are largely influenced under constant tidal current velocity by the shroud geometry and there is considerable difference in fluid velocity distributions around the shrouds. Especially the location and magnitude of maximum seawater flow velocity directly affect turbine performance for power generation. For the cylinder-diffuser type shroud system whose cylinder and diffuser parts have the same length accelerated flow region is formed in the overall cylinder part while maximum velocity in the nozzle-diffuser type whose nozzle and diffuser parts have the same length with symmetry, locally appears near the minimum sectional area. In case of cylinder-diffuser type shroud fluid velocity increases rather high compared with current velocity. And fluid velocity at the centerline gradually increases from the entrance, and then decreases rapidly after reaching a peak close to the middle of the cylinder part unlike the nozzle-diffuser while there is not much variation near the rear of the shroud. These results of the seawater flow characteristics with various shroud geometries can be applied to optimal design for the development of efficient tidal current power generation systems.

주제어

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문제 정의

유속의 증감과 직접적으로 관련된 쉬라우드 길이의 영향에 대한 연구는 많이 진행되었으나 이에 비하여 아직까지 쉬라우드 각도를 변수로 한 연구는 상대적으로 매우 부족한 상태이다. 따라서 본 연구에서는 조류발전에 사용되는 쉬라우드의 기하학적 형상각도의 변화에 따른 유동장 내 해수의 속도분포 특성을 분석하였고 이를 통해 효율적인 쉬라우드시스템 설계에 필요한 기초적인 데이터를 제공하고자 하였다.
본 연구를 통하여 단일 조류속도에서 길이와 최소내경이 일정한 쉬라우드의 각도의 변화에 따른 조류발전용 쉬라우드에 대해 터빈의 발전효율을 높이는 데 필요한 해수의 유동장특성에 대한 분석결과를 제시하였다. 이는 쉬라우드시스템의 기초적인 형상설계에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대되며 향후 조류속도의 변화에 따른 해수 유동장의 영향 및 실험을 통한 비교와 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 조류발전 시스템에 사용되는 쉬라우드 내해수의 유동특성을 CFD를 이용한 수치해석을 통해 분석하였다. 이에 대한 연구결과로부터 다음과 같은 결론들을 얻을 수 있었다.

가설 설정

본 연구에서 분석하고자 하는 조류발전용 쉬라우드 주위에 흐르는 해수의 유동은 정상상태의 난류유동으로 가정하였으며 이와 관련된 유동장의 지배방정식들은 다음과 같다.

제안 방법

입구 경계조건으로 조류의 이동속도(u∞)는 기존의 연구(조등, 2008)를 참고하여 2 m/s로 설정하였으며 해수의 물성치는 온도 17℃ 기준으로 일정하게 설정하였다.

대상 데이터

여기서 x는 좌표축상의 거리, ρ는 유체의 밀도, u는 축방향의 속도, p는 압력, g는 중력가속도, k는 난류운동에너지, µ_t는 난류점도, ε는 난류소산율, 하첨자 i, j, k는 각각 1, 2, 3으로 x, y, z방향을 나타낸다. 본 연구에서는 조류발전용으로 실린더와 디퓨저부분의 길이가 같은 실린더디퓨저와 노즐과 디퓨저부분의 길이가 같은 대칭구조의 노즐-디퓨저 형태의 쉬라우드를 대상으로 하였으며 Fig. 1과 Fig. 2는 각각 쉬라우드의 기하학적 형상과 CAD 모델, 그리고 Table 2~3은 이들에 대한 주요 제원을 나타낸 것이다. 입구 경계조건으로 조류의 이동속도(u_∞)는 기존의 연구(조등, 2008)를 참고하여 2 m/s로 설정하였으며 해수의 물성치는 온도 17℃ 기준으로 일정하게 설정하였다.

데이터처리

지배방정식을 풀기 위해서 유한체적법(Finite Volume Method)을 채택하였으며 일반적인 SIMPLE(Semi-Implicit Method for PressureLinked Equation)알고리즘과 함께 2차 상류차분법(Second Order Upwind Scheme)을 사용하였다. 본 수치해석에 이용된 프로그램으로 상용 CFD 코드인 Fluent 6.3을 사용하였고 전체 계산 격자수는 약 500,000개로 설정하였다. 이는 해석결과의 계산격자수 의존성과 관련하여 보다 조밀한 약 750,000개와 1,000,000개인 경우들의 해석결과와 비교했을 때 유속 값의 차이는 1% 이내이며 계산시간(CPU time)은각 격자시스템의 케이스별로 약 4, 6, 8시간 정도가 소요되는 것을 고려한 것이다.

이론/모형

난류모델로서 일반적인 표준 k-ε모델(Launder와 Spalding, 1974)이 사용되었으며 이에 대한 상수는 Table 1에 제시되었다.
입구 경계조건으로 조류의 이동속도(u_∞)는 기존의 연구(조등, 2008)를 참고하여 2 m/s로 설정하였으며 해수의 물성치는 온도 17℃ 기준으로 일정하게 설정하였다. 지배방정식을 풀기 위해서 유한체적법(Finite Volume Method)을 채택하였으며 일반적인 SIMPLE(Semi-Implicit Method for PressureLinked Equation)알고리즘과 함께 2차 상류차분법(Second Order Upwind Scheme)을 사용하였다. 본 수치해석에 이용된 프로그램으로 상용 CFD 코드인 Fluent 6.

성능/효과

315 rad까지 각도가 증가할수록 실린더영역의 유속이 증가하게 되고 그 이상의 경우 실린더영역을 포함하여 전체적으로 속도가 점차 감소하는 것을 볼 수 있다. 이와 함께 노즐-디퓨저 형태에서는 각도의 증가에 따라 쉬라우드 입구부근의 유속이 점차 감소하는 경향을 보여주고 있으며 0.420 rad 이상에서는 노즐영역을 지난 후 중심축방향으로 유체의 유동이 가속되는 특성이 나타났다. 특히 두 가지 형태의 쉬라우드 모두에 대해 각도가 증가함에 따라 벽 안쪽부근의 유속이 현저하게 감소하는 현상이 나타났으며 노즐-디퓨저의 경우는 상대적으로 바깥부근에서도 유동의 정체가 부분적으로 이루어지는 것을 볼 수 있다.
여기서 x와 l은 각각 입구부터의 중심축거리와 쉬라우드의 전체길이를 나타낸다. 전체적으로 실린더-디퓨저 형태의 쉬라우드 내 유속은 노즐-디퓨저에 비해 높은 편으로 실린더-디퓨저 형태의 쉬라우드 내 단면의 평균 무차원 속도는 약 2.00 정도이고 노즐-디퓨저에서는 약 0.89 로서 45%정도의 낮은 유속분포를 보여주고 있으며 특히 중심축에서는 약 2배 정도의 높은 속도차이를 볼 수 있다. 또한 실린더-디퓨저에서는 노즐-디퓨저에 비해 중심축부근에서 반경방향으로 상대적으로 급격한 속도구배를 보여주고 있으며 쉬라우드 벽으로 접근할수록 속도변화가 완만하게 이루어지는 경향을 나타내고 있다.
420 rad 이상에서는 노즐영역을 지난 후 중심축방향으로 유체의 유동이 가속되는 특성이 나타났다. 특히 두 가지 형태의 쉬라우드 모두에 대해 각도가 증가함에 따라 벽 안쪽부근의 유속이 현저하게 감소하는 현상이 나타났으며 노즐-디퓨저의 경우는 상대적으로 바깥부근에서도 유동의 정체가 부분적으로 이루어지는 것을 볼 수 있다.

후속연구

본 연구를 통하여 단일 조류속도에서 길이와 최소내경이 일정한 쉬라우드의 각도의 변화에 따른 조류발전용 쉬라우드에 대해 터빈의 발전효율을 높이는 데 필요한 해수의 유동장특성에 대한 분석결과를 제시하였다. 이는 쉬라우드시스템의 기초적인 형상설계에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대되며 향후 조류속도의 변화에 따른 해수 유동장의 영향 및 실험을 통한 비교와 분석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	해양에너지가 국내외에서 많은 개발이 진행되고 있는 이유는?	최근 신·재생에너지에 대한 연구개발 투자 및 실용화가 활발히 이루어지고 있으며 이들 중 해양에너지는 청정도와 경제성이 높기 때문에 국내외에서 많은 개발이 진행되고 있다. 특히 해수의 유동을 이용한 조류발전은 조석의 주기성으로 인하여 발전량의 예측이 가능하고 계절의 변화에 대한 영향이 크지 않기 때문에 이에 대한 많은 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
	조류발전 시스템에 사용되는 쉬라우드 내해수의 유동특성을 CFD를 이용한 수치해석을 통해 분석한 결과는 어떠한가?	쉬라우드의 형상각도 변화에 따라 해수의 유속 분포는 크게 영향을 받게 되며 발전성능에 직접적으로 영향을 미치는 쉬라우드 내 최대 유속의 위치 및 크기는 일정한 조류속도 (2 m/s)장에서 많은 차이가 있다. 실린더 및 노즐과 디퓨저부분의 길이가 같은 쉬라우드의 경우 실린더-디퓨저 형태에서 노즐-디퓨저보다 유속이 조류속도에 비해 크게 증가한다. 이러한 실린더-디퓨저 형태의 쉬라우드에서는 실린더 내 대부분의 영역에서 높은 속도분포가 형성된 반면 노즐-디퓨저의 경우 내경이 최소인 위치에서 국소적으로 나타난다. 쉬라우드 내 최대 유속은 대체로 쉬라우드 각도에 따라 증가하다가 각 형상별로 일정한 각도이상이 되면 오히려 감소하게 되며 이러한 변화는 실린더-디퓨저에서 더 크다. 쉬라우드의 각도가 증가할수록 디퓨저 끝 부근에서 나타나는 와류영역의 크기가 점차 넓어지며 회전중심도 쉬라우드 내로 이동한다. 쉬라우드 중심축상의 유속변화는 노즐-디퓨저보다 실린더-디퓨저 형태의 쉬라우드에서 더 큰 편이다.
	조류발전은 무엇을 이용하는가?	최근 신·재생에너지에 대한 연구개발 투자 및 실용화가 활발히 이루어지고 있으며 이들 중 해양에너지는 청정도와 경제성이 높기 때문에 국내외에서 많은 개발이 진행되고 있다. 특히 해수의 유동을 이용한 조류발전은 조석의 주기성으로 인하여 발전량의 예측이 가능하고 계절의 변화에 대한 영향이 크지 않기 때문에 이에 대한 많은 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 조류발전 시스템의 동력원이라고 할 수 있는 해저에 흐르는 조류의 속도는 주변 환경에 따라 많은 영향을 받으므로 이를 적절하게 제어하기 위해 발전시스템의 터빈주위에 쉬라우드가 설치되어 있다.

참고문헌 (17)

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