[논문]EDISON_전산열유체를 활용한 풍력발전기 타워의 후류 불안정성 억제에 관한 수치연구

김수용; 진도현; 이근배; 김종암

doi:10.6112/kscfe.2013.18.1.036

EDISON_전산열유체를 활용한 풍력발전기 타워의 후류 불안정성 억제에 관한 수치연구
NUMERICAL ANALYSIS FOR SUPPRESSING UNSTEADY WAKE FLOW ON WIND TURBINE TOWER USING EDISON_CFD 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.18 no.1 = no.60, 2013년, pp.36 - 42

김수용 (서울대학교 기계항공공학부) , 진도현 (서울대학교 기계항공공학부) , 이근배 (서울대학교 협동과정 계산과학전공) , 김종암 (서울대학교 기계항공공학부)

EDISON 유발 논문

계산과학플랫폼 EDISON을 활용하여 발표된 논문

Abstract ▼ AI-Helper

The performance of the wind turbine is determined by wind speed and unsteady flow characteristics. Unsteady wake flow causes not only the decline in performance but also structural problems of the wind turbine. In this paper, conceptual designs for the wind turbine tower are conducted to minimize unsteady wake flow. Numerical simulations are performed to inspect the shape effect of the tower. Through the installation of additional structures at the rear of the tower, the creation of Karman vortex is delayed properly and vortex interactions are reduced extremely, which enhance the stability of the wind turbine. From the comparative analysis of lift and drag coefficients for each structure, it is concluded that two streamwise tips with a splitter plate have the most improved aerodynamic characteristics in stabilizing wake flow.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

선행 연구에서 풍력발전기 타워 주위의 비정상 유동을 억제할 수 있는 방법을 제안하였으나, 대부분 실제 풍력발전기가 운용되는 영역보다 매우 낮은 레이놀즈수 영역에 한정되어 있으며, 와류를 억제하는 부가 구조물 형상이 복잡하거나 길이 방향으로 연속적이므로 실제 발전기 타워에 적용하는 것이 매우 제한적이다. 본 연구에서는 풍력발전기 타워 후류에서 발생하는 유동 불안정성을 효과적으로 억제할 수 있으며 실제 발전기 타워에서 적용 가능하도록 타워 후면에 부착 가능한 단순한 형상을 설계하고, 다양한 형상 하에서 나타나는 공력 특성을 분석하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 풍력발전기 타워 후류의 유동 불안정성을 억제하기 위하여 총 6가지 형상에 대해, EDISON_전산열유체 시스템을 활용하여 2차원 비정상 비압축성 난류유동 해석을 수행하였다. 5가지 형상 중 3가지 형상은 선행연구에 근거한 형상이고, 2가지 형상은 단순한 형태의 3가지 형상을 복합적으로 조합하여 본 연구에서 새롭게 제시한 형상이다.

이론/모형

본 연구에서는 풍력발전기 타워 주위 유동을 해석하기 위하여 2차원 비정상 비압축성 RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 적용한 EDISON_전산열유체 시스템의 2D_Incomp 해석자[8]를 사용하였으며, 지배방정식은 다음과 같다. 여기서 위첨자 (^-)는 레이놀즈 평균값을 나타낸다.
2D_Incomp 해석자에 적용된 수치기법은 다음과 같다. 비정상 유동장을 해석하기 위하여 이중 시간 전진법(dual time stepping)이 사용되었으며, 비점성항은 flux difference splitting 방법에 기초한 풍상차분법을, 점성항은 중앙 차분법이 적용되었다. 또한 MUSCL을 이용하여 비점성항은 3차 정확도, 점성항은 2차 정확도로 계산되었다. 시간 전진은 내재적 시간 적분법인 LU-SGS 방법이 사용되었고, 난류 유동장 해석을 위해 Menter’s k-ω SST 난류 모델이 사용되었다.

성능/효과

6×10⁶ 에 대한 실험결과 및 선행 수치해석 결과들을 본 연구의 해석결과와 비교한 그림이다. 그림을 통해 실험 결과와 수치해석 결과들에서 값의 차이는 존재하나 경향성은 상당히 유사하게 나타남을 확인할 수 있고, 수치해석 결과들은 대체적으로 서로 잘 맞는 것을 확인할 수 있다. 또한, 세 가지 조밀도(3.
해석 결과, s/R=3/2인 Splitter plate와 p/R=1/2인 Streamwise structure를 함께 설치한 구조물은 주변부의 유동을 유선형으로 유도할 뿐만 아니라, 와류를 Splitter plate와 Streamwise structure 사이에 정체시켜 타워의 후류 불안정성을 가장 효과적으로 억제함을 확인할 수 있었다.

후속연구

실제 풍력발전기 타워 후류는 블레이드가 발생시키는 와류에 의한 영향을 받게 되는데, 이러한 특성을 고려하여 후류 유동 구조 연구가 진행된다면, 본 연구의 결과와 더불어 향후 풍력 발전기 타워 형상의 기초 설계 시 공력 불안정성을 효과적으로 억제시킬 수 있는 선행 연구가 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력발전의 특징은 무엇인가?	풍력발전은 활발한 연구가 진행되고 있는 친환경 에너지 분야 중 하나로서, 바람이라는 무제한적인 환경 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하며 전기 이외의 다른 부산물을 발생시키지 않기 때문에 미래 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 풍력발전기에 대한 연구는 주로 운용 환경과 성능 개선에 대해 진행되어 왔으며, 크게 유체역학적, 진동학적, 구조역학적 연구로 구분 지을 수 있다.
	풍력발전의 유체역학적 연구 중 블레이드 형상 설계에 대한 연구에는 무엇이 있었는가?	이 중에서 유체역학적인 연구는 풍력발전기의 성능을 결정짓는 블레이드 형상 설계와 밀접한 관련이 있으므로 그에 대한 다양한 실험적, 수치적 연구가 진행되어 왔다. Barber et al.[1]은 블레이드에서의 비정상 유동이 풍력발전기 성능에 미치는 영향에 대한 수치해석 및 실험적 연구를 수행하였으며, Enevoldsen and Mork[2]는 블레이드 주위 비정상 유동으로 인해 발생하는 진동현상 억제에 대한 연구를 수행하였다.
	풍력발전기에 대한 연구는 어떻게 구분되는가?	풍력발전은 활발한 연구가 진행되고 있는 친환경 에너지 분야 중 하나로서, 바람이라는 무제한적인 환경 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하며 전기 이외의 다른 부산물을 발생시키지 않기 때문에 미래 친환경 에너지원으로 주목받고 있다. 풍력발전기에 대한 연구는 주로 운용 환경과 성능 개선에 대해 진행되어 왔으며, 크게 유체역학적, 진동학적, 구조역학적 연구로 구분 지을 수 있다. 이 중에서 유체역학적인 연구는 풍력발전기의 성능을 결정짓는 블레이드 형상 설계와 밀접한 관련이 있으므로 그에 대한 다양한 실험적, 수치적 연구가 진행되어 왔다.

참고문헌 (15)

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2007, Enevoldsen, I. and Mork, K.J., "Effects of a vibration mass damper in a wind turbine tower," MECH. STRUCT. & MACH., Vol 24(2), pp.155-187.
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1973, Apelt, C.J. et al., "The effects of wake splitter plates on the flow past a circular in the range $10^{4}$ ${\times}$ $10^{4}$ ," J. Fluid Mech., Vol. 61, pp.187-198.

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2011, Lee, K.B., Lee, S., Lee, C., Choi, J.I., Lee, D. and Kim, C., "EDISON_CFD: Development of e-Science-based Simulation Software and Contents for Education and Research in Fluid Engineering," KSME, pp.2024-2028.
2011, Lee, S., Lee, K.B., Oh, S., Choi, S., Park, S.H. and Kim, C., "Development of e-Science-based Fluid Dynamics Software and Contents for Education and Research in Aerospace Engineering on the EDISON_CFD Portal," KSAS, pp.370-375.
2011, Lee, S., Lee, K.B., Park, S.H., Choi, S. and Kim, C., "EDISON_CFD: Development of Simulation Software and Contents for Education and Research in Computational Fluid Dynamics on the e-Science Infrastructure," KSCFE.
2011, Lee, S., Lee, K.B., Lee, C., Choi, J.I., Lee D. and Kim, C., "Development of the Simulation Software and Contents for Education and Research in Fluid Engineering on the EDISON_CFD Portal," KFMA, pp.8-9.
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1968, Achenbach, E., "Distribution of local pressure and skin friction around a circular cylinder in cross-flow up to $5 {\times} 10^{6}$ ," Fluid Mech., Vol.34, pp.625-639.

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