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문제 정의
- 난류 모델은 회전하는 유동에 대하여 높은 정확도를 보이는 SST k-ω 모델과 난류 유동 해석에 높은 정확도를 보이는 LES 해석을 사용하여 적절한 방법을 찾고자 하였다.
- 이를 위하여 환기팬 후류의 풍속 및 풍향 분포를 측정하였으며, 풍력 발전 시 나타날 수 있는 환기팬의 성능 저하 및 부하의 가능성을 사전에 평가하였다. 또한 향후 다양한 형태의 풍력 터빈을 설계하고 성능을 평가하기 위한 전산유체역학 시뮬레이션 연구를 수행하기 위하여 환기팬에서 생성되는 회전성 후류를 모델링하고자 하였다.
- 본 연구에서는 축사에서 사용되는 환기용 환기팬에서 배출되는 고속의 일정한 기류를 소형 풍력 발전에 이용하기 위하여 환기팬 후류를 평가하고 이를 전산유체역학 시뮬레이션으로 간단히 모델링하기 위한 배출 기류의 프로파일을 작성하고자 하였다.
- 본 연구에서는 축사에서 사용하는 환기팬 후류의 풍에너지를 분석하고 평가하고자 하였다. 이를 위하여 환기팬 후류의 풍속 및 풍향 분포를 측정하였으며, 풍력 발전 시 나타날 수 있는 환기팬의 성능 저하 및 부하의 가능성을 사전에 평가하였다.
- 본 연구에서는 환기팬에 의한 후류의 풍 에너지를 평가하고 이를 전산유체역학 모델에서 구현하고자 하였다. 이를 위하여 현장실험을 통하여 풍속 분포를 측정하여 가능성을 평가함과 동시에 후류 모델링을 위한 검․보정 자료로 활용하였다.
- 5 m 크기의 합판으로 제작된 장애물로서 철재를 이용하여 환기팬의 중심축과 같은 높이에 놓이도록 제작하였다. 일반적인 고속 회전용 풍력 터빈의 경우에는 로터회전면적에 대한 로터 블레이드의 전 투영 면적을 나타내는 솔리디티가 0.2 이내로 작은 값을 보이지만, 본 시험에서는 솔리디티가 1인 합판을 사용하여 부하의 영향을 극대화하여 실험하고자 하였다. 장애물은 환기팬을 기준으로 0.
제안 방법
- 물론 이 과정에서 사진의 찍는 방향과 거리가 다를 수 있으므로 격자점의 위치 정보와 분석하고 있는 이미지의 격자점 위치 사이에는 두 좌표를 일치시키기 위한 매핑 작업이 추가적으로 진행되어야 한다. 각 격자점에서의 벡터값은 격자점의 위치로부터 5 cm 반경 내의 최원거리에 위치한 픽셀을 잇는 벡터로 계산하였다. 약 100 여장의 사진에 Fig.
- 3과 같이 유연한 끈을 붙인 격자틀을 놓고, 환기류의 방향에 따라 움직이는 끈의 형태를 디지털 카메라로 찍어 컴퓨터로 분석하였다. 격자틀에는 가로, 세로 각각 13개의 와이어를 연결하여 총 169개의 격자점을 만들고 자주색 형광물질로 염색한 무명실을 묶어서 길이가 정확히 5 cm가 되도록 잘라서 정리하였다. 환기팬의 유속이 높고 난류가 심한 격자점에서는 무명실의 방향 변화가 크므로 약 100 여장의 사진을 연속으로 촬영한 후, 사진에서 무명실에 해당하는 픽셀들만을 추출하여 격자점에서의 유동 벡터를 계산하였다.
- 그럼에도 불구하고 시뮬레이션 결과 중 SST k-ω model과 SMM 방법을 이용하여 환기 기류를 구현한 결과가 LES와 Dynamic mesh 로 구현한 결과에 비하여 더 좋은 편이기 때문에 이 결과를 기본으로 보정을 수행하였다.
- 해석은 두 모델 모두 비정상상태로 계산을 수행하였다. 다양한 방법으로 모의 결과들 중 현장 실험에서 측정된 풍속분포와 가장 유사한 결과를 나타낸 방법으로부터 단순화된 2차원 유속 프로파일을 작성하였다.
- 물론 무명실뿐만 아니라 다른 어두운 색상들도 포함되므로 시행착오를 거쳐 적절한 범위를 선정할 필요가 있다. 다음으로 사진 파일을 MATLAB을 이용하여 RGB의 세 가지 색상 구성으로 분리된 세 개의 레이어를 가진 행렬로 변환한다. Fig.
- 두 번째 세부 실험으로 환기팬에서의 유속 분포와 환기팬에서 생성된 후류의 수평적 풍속 분포를 측정하였다. 환기팬에서 배출되는 바람은 환기팬 전면에서 고르게 배출되는 것이 아니라 환기팬 내의 위치에 따라 유속 분포가 다르게 형성되므로 환기류를 모의하기 위해서는 중요한 요인으로 고려되어야 한다.
- 먼저 기본 프로파일을 생성하기 위하여 환기팬의 도면을 바탕으로 RHINOCEROS에서 환기팬의 로터 형상을 모델링하였다. 크기는 실제와 같은 크기로 직경 1.
- 먼저 환기팬 후류에 장애물이 존재할 경우 부하에 의해 발생 가능한 환기팬의 성능 저하를 시험하기 위하여 환기팬에서 일정 거리별로 장애물을 놓고 환기팬에서의 유량과 날개의 회전수를 측정하여 비교하였다. 장애물은 두 종류로 장애물1 (Fig.
- 4 (c)는 RGB 중 하나의 값으로 나타낸 그림이다. 사진에서 무명실의 색깔인 자주색 계열의 색만을 추출하기 위하여 자주색의 RGB 정보를 확인 후 적절한 여유 범위를 선정한다. RGB 중 하나의 레이어 만을 이용하여 해당 범위의 값을 가진 픽셀만을 추출하면 Fig.
- 세 번째 세부 실험으로 환기팬에서 배출되는 기류의 방향을 측정하였다. 실험과정은 항공기의 날개 표면의 유동을 모사하는데 사용된 바 있는 ‘tuft flow visualization’ (Shen and Pang, 2002) 실험에서 착안하여 본 연구 상황에 맞게 재구성하였다.
- 그럼에도 불구하고 시뮬레이션 결과 중 SST k-ω model과 SMM 방법을 이용하여 환기 기류를 구현한 결과가 LES와 Dynamic mesh 로 구현한 결과에 비하여 더 좋은 편이기 때문에 이 결과를 기본으로 보정을 수행하였다. 시뮬레이션 결과로 구현된 환기 기류의 풍속 분포는 현장실험과 유사한 편이므로, 각 셀에서 환기 기류의 배출 방향만을 보정하기로 하고, 이를 위하여 이미지 분석 결과에서 분석된 방향 벡터 성분들과 시뮬레이션의 풍속 크기를 결합하여 새로운 배출 기류 벡터를 생성하였다. 이에 따라 새롭게 생성된 각 격자점에서의 풍속 벡터 성분을 FLUENT에서 유입부 경계조건에 입력 가능한 형태의 프로파일로 작성하였으며, 프로파일을 방향벡터와 유속분포로 나타내면 Fig.
- 팬에는 셔터가 달려 있어서 비가동시에는 팬이 닫혀 있지만, 팬 가동시에는 셔터가 열리면서 기류의 방향을 어느 정도 유도하는 역할을 하게 된다. 실제 축산 농가에 설치되는 것과 같은 상황을 구현하기 위하여 팬을 건물 (범진시스템, 전북 익산시)의 한쪽 벽에 설치하여 실내의 공기를 외부로 배출시키도록 하였다. 이때 환기팬은 실험이 용이하도록 중심축이 바닥으로부터 110 cm가 되도록 설치하였다.
- 실험과정은 항공기의 날개 표면의 유동을 모사하는데 사용된 바 있는 ‘tuft flow visualization’ (Shen and Pang, 2002) 실험에서 착안하여 본 연구 상황에 맞게 재구성하였다.
- 각 격자점에서의 벡터값은 격자점의 위치로부터 5 cm 반경 내의 최원거리에 위치한 픽셀을 잇는 벡터로 계산하였다. 약 100 여장의 사진에 Fig. 6의 일련의 과정을 반복적으로 수행하여 환기팬에서 배출되는 기류의 평균적인 방향 벡터 성분을 계산하였다.
- 8과 같은 계산 영역을 만들고 동시에 내부에 3차원 메쉬를 설계하였다. 영역의 크기는 폭 9.375 m, 높이 4.375 m, 길이는 13.09 m로 설계하였으며, 내부는 환기팬 내부를 제외한 모든 메쉬를 각기둥 형태 (prism)로 구성하여 메쉬의 품질을 높이고자 하였다. 총 메쉬의 수는 2,401,902개가 사용되었다.
- 유입부는 환기팬으로 들어오는 부분이므로, 실제로는 축사 실내의 환경이라 할 수 있으므로, 난류 조건은 일반적인 난류 상태로 설정하였고, 유출부는 pressure outlet으로 설정하고 압력에 대한 조건을 UDF를 이용하여 ∇p, = 0즉 인근 셀과의 압력 격차가 없도록 자유롭게 변화하도록 설정하였다.
- 4 (d)와 같이 무명실만을 추출할 수 있다. 이때 사진 촬영 시의 빛 조건, 주위 배경에 따라 노이즈, 색상 번짐 등으로 Fig. 5 (left)와 같이 무명실이 아니면서도 일부 픽셀들이 추출되는 경우가 있는데, 이들을 제거하기 위하여 필터링을 수행하였다. 이러한 픽셀들은 일반적으로 무명실에 비하여 소규모 또는 독립적으로 존재하므로 군집되어 있는 픽셀들의 수를 검사하여 필터링하였으며, 이로부터 Fig.
- 이러한 풍력 발전의 가능성에 따라 다양한 풍력 터빈의 형상과 적정 위치 등을 평가하고자 시뮬레이션 연구를 수행하기 위하여, 먼저 환기팬의 복잡한 후류를 전산유체역학 모델을 이용하여 모의하였다. 현장실험으로부터 환기팬 후면에 다수의 짧은 실프로브를 설치하여 유동을 가시화하고 유동의 방향 벡터를 계산하였다.
- 5 (left)와 같이 무명실이 아니면서도 일부 픽셀들이 추출되는 경우가 있는데, 이들을 제거하기 위하여 필터링을 수행하였다. 이러한 픽셀들은 일반적으로 무명실에 비하여 소규모 또는 독립적으로 존재하므로 군집되어 있는 픽셀들의 수를 검사하여 필터링하였으며, 이로부터 Fig. 5 (right)와 같이 무명실에 해당하는 픽셀만을 추출하였다.
- 본 연구에서는 환기팬에 의한 후류의 풍 에너지를 평가하고 이를 전산유체역학 모델에서 구현하고자 하였다. 이를 위하여 현장실험을 통하여 풍속 분포를 측정하여 가능성을 평가함과 동시에 후류 모델링을 위한 검․보정 자료로 활용하였다.
- 본 연구에서는 축사에서 사용하는 환기팬 후류의 풍에너지를 분석하고 평가하고자 하였다. 이를 위하여 환기팬 후류의 풍속 및 풍향 분포를 측정하였으며, 풍력 발전 시 나타날 수 있는 환기팬의 성능 저하 및 부하의 가능성을 사전에 평가하였다. 또한 향후 다양한 형태의 풍력 터빈을 설계하고 성능을 평가하기 위한 전산유체역학 시뮬레이션 연구를 수행하기 위하여 환기팬에서 생성되는 회전성 후류를 모델링하고자 하였다.
- 유입부는 환기팬으로 들어오는 부분이므로, 실제로는 축사 실내의 환경이라 할 수 있으므로, 난류 조건은 일반적인 난류 상태로 설정하였고, 유출부는 pressure outlet으로 설정하고 압력에 대한 조건을 UDF를 이용하여 ∇p, = 0즉 인근 셀과의 압력 격차가 없도록 자유롭게 변화하도록 설정하였다. 이를 통하여 기류 방향으로의 계산영역이 작더라도 역류로 인한 환기팬에의 부압이 발생하지 않도록 하였다. 환기팬 로터의 회전 속도는 실제 규격에 따라 설정하였으며, 환기팬 로터의 회전은 sliding mesh modeling 방법과 dynamic mesh modeling방법을 사용하여 회전시켰으며, 둘 중에서 적절한 방법을 찾고자 하였다.
- 환기팬의 유속이 높고 난류가 심한 격자점에서는 무명실의 방향 변화가 크므로 약 100 여장의 사진을 연속으로 촬영한 후, 사진에서 무명실에 해당하는 픽셀들만을 추출하여 격자점에서의 유동 벡터를 계산하였다. 이미지 분석은 MATLAB (ver. 7, The MathWorks, Inc., USA)을 이용한 별도의 스크립트를 작성하여 수행하였다.
- 시뮬레이션 결과로 구현된 환기 기류의 풍속 분포는 현장실험과 유사한 편이므로, 각 셀에서 환기 기류의 배출 방향만을 보정하기로 하고, 이를 위하여 이미지 분석 결과에서 분석된 방향 벡터 성분들과 시뮬레이션의 풍속 크기를 결합하여 새로운 배출 기류 벡터를 생성하였다. 이에 따라 새롭게 생성된 각 격자점에서의 풍속 벡터 성분을 FLUENT에서 유입부 경계조건에 입력 가능한 형태의 프로파일로 작성하였으며, 프로파일을 방향벡터와 유속분포로 나타내면 Fig. 15와 같다.
- 이후 TGRID에서는 환기팬 후면과 주위의 2차원 벽면을 풍하측 방향으로 확장시켜 Fig. 8과 같은 계산 영역을 만들고 동시에 내부에 3차원 메쉬를 설계하였다. 영역의 크기는 폭 9.
- 2 이내로 작은 값을 보이지만, 본 시험에서는 솔리디티가 1인 합판을 사용하여 부하의 영향을 극대화하여 실험하고자 하였다. 장애물은 환기팬을 기준으로 0.5, 1, 2, 3, 4 m 거리에 각각 놓고 실험을 진행하였다. 환기팬 날개의 회전수는 타코미터 (DT-2230, Lutron, Taiwan)를 이용하여 비접촉방식으로 측정하였고, 환기팬 유량은 피토튜브의 원리를 이용하여 제작한 유량측정장치와 미압측정계 (TSI 5815, TSI Inc.
- 2 (left)와 같이 설치하고 열선 프로브를 사용한 다채널 풍속계 (System 6243, Kanomax, Japan)를 파이프에 고정시킨 뒤 풍속 분포를 측정하였다. 측정 지점은 팬의 중심으로부터 수평 우측 방향으로 10, 27, 44, 62 cm 위치 (각각 h1, h2, h3, h4)와 수직 하향방향으로 10, 26, 40, 56 cm 위치 (각각 v1, v2, v3, v4)로 하였다. 환기팬 후류의 수평적 풍속 분포를 측정하기 위하여 환기팬으로부터 기류 방향으로 0.
- 하지만 실험을 통하여 측정한 자료만으로는 단순화된 유속 프로파일을 생성하는데 한계가 있으므로 추가적인 시뮬레이션에서 환기팬의 형상을 모델링하여 기본 프로파일을 생성하고, 이를 실험에서 측정한 기류의 방향 자료를 이용하여 보정하는 방법으로 프로파일을 완성하였다. 환기팬의 형상을 모델링하는 과정에서는 자유로운 곡면 처리가 용이한 RHINOCEROS (ver.
- 난류 모델은 회전하는 유동에 대하여 높은 정확도를 보이는 SST k-ω 모델과 난류 유동 해석에 높은 정확도를 보이는 LES 해석을 사용하여 적절한 방법을 찾고자 하였다. 해석은 두 모델 모두 비정상상태로 계산을 수행하였다. 다양한 방법으로 모의 결과들 중 현장 실험에서 측정된 풍속분포와 가장 유사한 결과를 나타낸 방법으로부터 단순화된 2차원 유속 프로파일을 작성하였다.
- 이때 환기팬은 실험이 용이하도록 중심축이 바닥으로부터 110 cm가 되도록 설치하였다. 현장 실험은 2009년 8월 7～8일에 걸쳐 세 가지의 세부 실험으로 나뉘어 진행되었다.
- 현장실험에서 측정한 환기팬 내에서의 풍속 분포와 풍하측 거리별로 측정한 풍속 분포를 근간으로 시뮬레이션 결과를 비교하였다. LES 해석과 DMM을 사용하여 해석한 결과와 SST k-ω model과 SMM 방법으로 구현한 결과를 현장실험의 결과와 비교하면 Fig.
- 이러한 풍력 발전의 가능성에 따라 다양한 풍력 터빈의 형상과 적정 위치 등을 평가하고자 시뮬레이션 연구를 수행하기 위하여, 먼저 환기팬의 복잡한 후류를 전산유체역학 모델을 이용하여 모의하였다. 현장실험으로부터 환기팬 후면에 다수의 짧은 실프로브를 설치하여 유동을 가시화하고 유동의 방향 벡터를 계산하였다. 이를 회전하는 환기팬을 모델링하여 얻은 기류 분포와 조합하여 환기팬에서 생성되는 기류의 프로파일을 생성하였으며, 이러한 기술은 향후 적정 풍력 발전용 터빈의 설계에 초점을 둔 시뮬레이션 연구에서 모델의 규모를 줄이고 계산시간을 절감시키는 등 효과적으로 활용될 것이다.
- 5, 1, 2, 3, 4 m 거리에 각각 놓고 실험을 진행하였다. 환기팬 날개의 회전수는 타코미터 (DT-2230, Lutron, Taiwan)를 이용하여 비접촉방식으로 측정하였고, 환기팬 유량은 피토튜브의 원리를 이용하여 제작한 유량측정장치와 미압측정계 (TSI 5815, TSI Inc., USA)를 이용하여 Fig. 1 (right)과 같이 측정하였다.
- 환기팬에서 배출되는 바람은 환기팬 전면에서 고르게 배출되는 것이 아니라 환기팬 내의 위치에 따라 유속 분포가 다르게 형성되므로 환기류를 모의하기 위해서는 중요한 요인으로 고려되어야 한다. 환기팬 내의 유속 분포를 측정하기 위하여 팬 앞에 가로와 세로를 직각으로 연결한 ㄱ자 모양의 PVC파이프를 Fig. 2 (left)와 같이 설치하고 열선 프로브를 사용한 다채널 풍속계 (System 6243, Kanomax, Japan)를 파이프에 고정시킨 뒤 풍속 분포를 측정하였다. 측정 지점은 팬의 중심으로부터 수평 우측 방향으로 10, 27, 44, 62 cm 위치 (각각 h1, h2, h3, h4)와 수직 하향방향으로 10, 26, 40, 56 cm 위치 (각각 v1, v2, v3, v4)로 하였다.
- 이를 통하여 기류 방향으로의 계산영역이 작더라도 역류로 인한 환기팬에의 부압이 발생하지 않도록 하였다. 환기팬 로터의 회전 속도는 실제 규격에 따라 설정하였으며, 환기팬 로터의 회전은 sliding mesh modeling 방법과 dynamic mesh modeling방법을 사용하여 회전시켰으며, 둘 중에서 적절한 방법을 찾고자 하였다. 난류 모델은 회전하는 유동에 대하여 높은 정확도를 보이는 SST k-ω 모델과 난류 유동 해석에 높은 정확도를 보이는 LES 해석을 사용하여 적절한 방법을 찾고자 하였다.
- 측정 지점은 팬의 중심으로부터 수평 우측 방향으로 10, 27, 44, 62 cm 위치 (각각 h1, h2, h3, h4)와 수직 하향방향으로 10, 26, 40, 56 cm 위치 (각각 v1, v2, v3, v4)로 하였다. 환기팬 후류의 수평적 풍속 분포를 측정하기 위하여 환기팬으로부터 기류 방향으로 0.5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 m 떨어진 거리에 대하여 각각 측방향으로 0, 1, 2 m 떨어진 위치를 측정 지점으로 결정하였으며, 각 지점에서 Fig. 2 (right)와 같이 환기팬의 중심과 같은 110 cm 높이에서 풍속을 측정하였다. 측정은 다채널 풍속계를 사용하여 평균 풍속을 측정하였다.
- 375 m의 사각형 틀을 모델링하였다. 환기팬의 사각형 틀 내부는 복잡한 로터의 형상을 고려하여, GAMBIT에서 로터 표면에 Fig. 7과 같이 0.01 m 크기의 삼각형 메쉬를 설계하고 환기팬 내부에는 TGRID에서 사면체의 3차원 메쉬를 설계하였다.
- 환기팬의 소비 전력과 송유량을 함께 고려하기 위하여 환기팬의 소비전력에 대한 송유량을 계산하여 환기팬의 성능 변화를 비교하였다 (Fig. 9). 장애물 2의 경우 무부하 상태에서 약 18 CFM/W의 값을 보이며, 장애물이 1, 2, 3, 4 m 지점에 위치했을 때 환기팬에서는 각각 86.
- 격자틀에는 가로, 세로 각각 13개의 와이어를 연결하여 총 169개의 격자점을 만들고 자주색 형광물질로 염색한 무명실을 묶어서 길이가 정확히 5 cm가 되도록 잘라서 정리하였다. 환기팬의 유속이 높고 난류가 심한 격자점에서는 무명실의 방향 변화가 크므로 약 100 여장의 사진을 연속으로 촬영한 후, 사진에서 무명실에 해당하는 픽셀들만을 추출하여 격자점에서의 유동 벡터를 계산하였다. 이미지 분석은 MATLAB (ver.
- 실험과정은 항공기의 날개 표면의 유동을 모사하는데 사용된 바 있는 ‘tuft flow visualization’ (Shen and Pang, 2002) 실험에서 착안하여 본 연구 상황에 맞게 재구성하였다. 환기팬의 후면에 Fig. 3과 같이 유연한 끈을 붙인 격자틀을 놓고, 환기류의 방향에 따라 움직이는 끈의 형태를 디지털 카메라로 찍어 컴퓨터로 분석하였다. 격자틀에는 가로, 세로 각각 13개의 와이어를 연결하여 총 169개의 격자점을 만들고 자주색 형광물질로 염색한 무명실을 묶어서 길이가 정확히 5 cm가 되도록 잘라서 정리하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용되는 환기팬은 축산 농가에서 주로 사용되고 있는 직경 50인치 환기팬으로서 크기는 약 137 cm×137 cm 이다.
- 장애물은 두 종류로 장애물1 (Fig. 1-left)은 환기팬보다 훨씬 큰 약 3×3 m 크기의 벽 형태이고, 장애물2 (Fig. 1-right)는 실제의 소형 풍력발전기의 크기와 유사하게 1.5 m×1.5 m 크기의 합판으로 제작된 장애물로서 철재를 이용하여 환기팬의 중심축과 같은 높이에 놓이도록 제작하였다.
- 09 m로 설계하였으며, 내부는 환기팬 내부를 제외한 모든 메쉬를 각기둥 형태 (prism)로 구성하여 메쉬의 품질을 높이고자 하였다. 총 메쉬의 수는 2,401,902개가 사용되었다.
- 크기는 실제와 같은 크기로 직경 1.2 m로 모델링하였고, 로터 외부에는 실제의 환기팬 형상과 동일하게 1.375 m×1.375 m의 사각형 틀을 모델링하였다.
데이터처리
- 2 (right)와 같이 환기팬의 중심과 같은 110 cm 높이에서 풍속을 측정하였다. 측정은 다채널 풍속계를 사용하여 평균 풍속을 측정하였다. 실험 중 외부로부터의 바람을 차단하기 위하여 실험 공간 측면에 Fig.
이론/모형
- , USA)을 사용하였다. 기류의 해석은 질량과 운동량에 대한 보존 방정식을 유한체적법으로 풀이하는 FLUENT (ver. 6.3, Fluent Inc., USA)를 사용하여 수행하였다.
- 환기팬의 형상을 모델링하는 과정에서는 자유로운 곡면 처리가 용이한 RHINOCEROS (ver. 4, Robert NcNeel & Associates)를 사용하였으며, 시뮬레이션을 위한 메쉬는 TGRID (ver. 4.0, Fluent Inc., USA)와 GAMBIT (ver. 2.4, Fluent Inc., USA)을 사용하였다.
성능/효과
- Fig. 10에서도 확인할 수 있듯이 팬의 중심축 상에서는 풍속이 낮기 때문에 Fig. 11의 대부분 측정값들은 예상보다 낮게 나타났으나, 그럼에도 불구하고 팬의 중심으로부터 1, 2 m 거리에서는 6.5∼7 m/s 정도의 높은 풍속이 측정되어, 실제로는 더 높은 풍속을 활용할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
- 이후 거리별 풍속 분포에서도 중심선, 측방향 1 m 위치, 측방향 2 m 위치 모두에서 현장 실험의 풍속 분포를 제대로 반영하지 못하였다. LES와 DMM에 의한 모델링 결과를 측정결과와 비교할 때 R2의 값은 약 0.05 정도로 매우 낮게 나타났으나, k-w 모델과 SMM에 의한 모델링 결과에서는 0.86 정도로 더 유사한 결과를 보였다 (Fig. 14).
- 10∼13 (Fan profile)에 나타나 있다. 먼저 환기팬 앞과 풍하측에서의 풍속 분포는 기존과 거의 동일하게 현장실험보다는 약간 낮은 값을 보였으나 전반적으로 개선된 결과를 보였다. 측방향 1 m에서의 풍속은 대체로 유사한 범위에서 형성되고 있으며, 특히 기존의 시뮬레이션 결과와 비교하여 상당히 향상된 결과를 보였다.
- 10～13과 같다. 먼저 환기팬에서 배출되는 유속 분포를 비교하면, 두 시뮬레이션 결과 모두 현장 실험 결과보다는 조금 낮은 풍속을 보였지만 대체로 유사한 범위의 풍속 경향을 보이고 있다. 하지만 LES와 DMM을 사용한 시뮬레이션의 결과는 v1 지점에서 너무 높은 풍속을 보이고 있어 적절하지 않은 것으로 판단되었다.
- 5∼7 m/s의 높은 풍속이 측정되었다. 이에 따라 풍력 발전기의 설치 위치에 따라 101～369 W 정도의 전기 발전이 가능할 것으로 예측되었으며, 환기팬에서 생성된 후류는 자연풍과 비교하여 풍력 발전에 매우 유리하다고 판단되었다. 하지만 추후 연구를 통하여 실제 풍력 발전기를 개발하여 설치할 경우에는 발전량과 환기팬의 부하량에 대한 정확한 검증이 필요하며 이에 따라 설치 위치를 신중하게 결정할 필요가 있다.
- 9). 장애물 2의 경우 무부하 상태에서 약 18 CFM/W의 값을 보이며, 장애물이 1, 2, 3, 4 m 지점에 위치했을 때 환기팬에서는 각각 86.4, 96.0, 96.5, 98.2 %의 성능을 나타내어 2 m 이상의 거리에서 부하가 약 4 % 이내로 이미 성능이 상당히 회복된 결과를 보였다. 하지만 장애물 1의 경우 무부하 상태에서 약 17.
- 장애물의 거리에 따라 환기팬의 유량, 회전수, 소요 전력 모두 변화하는 결과를 얻었다. 장애물 1의 경우, 장애물의 존재로 인하여 1 m 거리에서는 약 18 % 정도가 감소하는 등 전반적으로 다소 감소하였으나 약 3～4 m 정도에서는 부하가 거의 없는 상태의 93～98 % 정도로 회복되었고, 환기팬의 회전수는 0.
- 먼저 환기팬 앞과 풍하측에서의 풍속 분포는 기존과 거의 동일하게 현장실험보다는 약간 낮은 값을 보였으나 전반적으로 개선된 결과를 보였다. 측방향 1 m에서의 풍속은 대체로 유사한 범위에서 형성되고 있으며, 특히 기존의 시뮬레이션 결과와 비교하여 상당히 향상된 결과를 보였다. 측방향 2 m에서의 풍속은 현장 실험과 거의 유사한 결과를 보였으므로, 기존의 환기팬을 직접 모델링한 결과에 비하여 더 향상된 결과를 도출하였다고 판단되었다.
- 측방향 1 m에서의 풍속은 대체로 유사한 범위에서 형성되고 있으며, 특히 기존의 시뮬레이션 결과와 비교하여 상당히 향상된 결과를 보였다. 측방향 2 m에서의 풍속은 현장 실험과 거의 유사한 결과를 보였으므로, 기존의 환기팬을 직접 모델링한 결과에 비하여 더 향상된 결과를 도출하였다고 판단되었다. Fig.
- 측방향으로 1 m 떨어진 지점들에서는 1∼2 m/s 내외의 풍속 분포를 보였으며, 3∼4 m 거리에서 가장 높은 풍속을 보였다. 측방향으로 2 m 떨어진 지점들에서는 1 m/s 이하의 낮은 풍속 분포를 보였으며, 거리에 따라 풍속이 점차 증가하여 가장 먼 지점인 7 m 떨어진 지점에서 비교적 가장 높은 풍속을 보였다.
- 풍력 발전기를 설치할 시 발전 가능한 에너지량은 풍속의 세제곱에 비례하므로, 풍력 터빈의 반경을 환기팬에서 나오는 바람의 유관을 고려하여 0.8 m로 가정하고 발전기의 효율을 30 %로 가정할 때, 환기팬의 후면에서는 약 10 m/s 정도의 풍속에 의해 약 369 W, 1～2 m 정도 거리에서는 약 6.5～7 m/s 정도의 풍속에 의해 101～127 W 정도의 전기 발전이 이론적으로 가능할 것으로 예상된다.
- 풍력 발전용 터빈에 비하여 솔리디티가 큰 장애물 벽을 환기팬 뒤에 설치하여 부하를 측정해 본 결과, 약 2 m 이상의 거리부터는 환기팬의 성능 저하 및 부하의 영향이 4 % 이내로 크게 감소하는 것으로 나타났으며, 이로 부터 솔리디티와 항력계수가 작은 풍력 터빈을 설치할 경우에는 풍력 발전에 따른 환기팬의 성능 부하가 매우 작을 것으로 예상할 수 있었다. 환기 기류의 풍황을 살펴보면, 환기팬에서는 최대 약 12 m/s의 고속의 풍속이 형성되었으며, 약 2 m 떨어진 지점에서도 약 6.
- 먼저 환기팬에서 배출되는 유속 분포를 비교하면, 두 시뮬레이션 결과 모두 현장 실험 결과보다는 조금 낮은 풍속을 보였지만 대체로 유사한 범위의 풍속 경향을 보이고 있다. 하지만 LES와 DMM을 사용한 시뮬레이션의 결과는 v1 지점에서 너무 높은 풍속을 보이고 있어 적절하지 않은 것으로 판단되었다. 이후 거리별 풍속 분포에서도 중심선, 측방향 1 m 위치, 측방향 2 m 위치 모두에서 현장 실험의 풍속 분포를 제대로 반영하지 못하였다.
- 환기 기류의 풍황을 살펴보면, 환기팬에서는 최대 약 12 m/s의 고속의 풍속이 형성되었으며, 약 2 m 떨어진 지점에서도 약 6.5∼7 m/s의 높은 풍속이 측정되었다.
- 환기팬의 중심 위치에서는 유속이 거의 0에 가까웠으며 환기팬의 가장자리로 갈수록 약 12 m/s까지 급격히 증가하였다. 회전하는 특성의 기류를 셔터가 직립적으로 유도해주면서, 팬의 중심으로부터 수평적으로 보다는 수직적으로 풍속의 증가가 크게 나타났다.
후속연구
- 환기팬에서 생성된 복잡한 기류를 이용하여 고효율의 풍력발전을 설계하기 위해서는 시뮬레이션에 의한 연구가 필수적이며 이를 위하여 먼저 환기 기류의 모델링이 필요하다. 그러나 향후 풍력 발전용 터빈 등을 시뮬레이션 모델에 포함시켜 적정 설계안을 도출하기 위해서는 시뮬레이션 모델 내에 환기팬뿐만 아니라 발전용 터빈을 모두 구현하여야 하는데 이러한 방법은 과다한 계산 시간과 비용을 필요로 한다. 따라서 환기 기류를 모델링하는 과정에서 메쉬를 효과적으로 줄일 필요가 있으므로, 환기팬을 2차원의 사각형 면으로 단순화하여 사각형 면에 유속 벡터 프로파일을 설정하는 방법으로 모델링을 수행할 수 있다.
- 따라서 설계 방법의 보완을 통해 블레이드의 모든 단면에서 양력을 극대화한 효율적인 풍력 터빈을 제작하기 위해서는 환기팬 후류의 풍속 분포에 대한 분석이 선행되어야 한다. 또한 환기팬 후류를 사용할 시의 역부하에 의한 환기팬의 환기 성능 감소 등의 우려에 대한 실증적인 검증이 풍력발전 시스템의 제작에 앞서 이루어져야 한다.
- 현장실험으로부터 환기팬 후면에 다수의 짧은 실프로브를 설치하여 유동을 가시화하고 유동의 방향 벡터를 계산하였다. 이를 회전하는 환기팬을 모델링하여 얻은 기류 분포와 조합하여 환기팬에서 생성되는 기류의 프로파일을 생성하였으며, 이러한 기술은 향후 적정 풍력 발전용 터빈의 설계에 초점을 둔 시뮬레이션 연구에서 모델의 규모를 줄이고 계산시간을 절감시키는 등 효과적으로 활용될 것이다.
- 이에 따라 풍력 발전기의 설치 위치에 따라 101～369 W 정도의 전기 발전이 가능할 것으로 예측되었으며, 환기팬에서 생성된 후류는 자연풍과 비교하여 풍력 발전에 매우 유리하다고 판단되었다. 하지만 추후 연구를 통하여 실제 풍력 발전기를 개발하여 설치할 경우에는 발전량과 환기팬의 부하량에 대한 정확한 검증이 필요하며 이에 따라 설치 위치를 신중하게 결정할 필요가 있다.
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