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문제 정의
- 본 연구에서는 전산해석 기법을 이용하여 고체표면의 결빙이 풍력 블레이드 공력에 미치는 영향성을 계산하였다. 먼저 결빙 해석을 위하여 액적이 없는 상태에서의 유동장 계산을 수행하였으며, 계산된 결과를 바탕으로 일정한 액적크기를 갖는 Monodisperse를 가정한 액적 유동장 계산 및 Rime Ice에 대한 결빙증식 계산을 수행하였다.
- 본 연구에서는 풍력 블레이드의 결빙에 의한 공력 영향성을 연구할 목적으로 CFD 기법에 기초한 최신 전산해석 코드인 FENSAP-ICE를 이용하여 먼저 풍력 블레이드의 결빙 증식을 계산하였다. 복잡한 삼차원 블레이드 유동을 단순화시키기 위해 Root, Middle, Tip 단면에서의 유동을 고려하였다.
가설 설정
- 유동해석 조건 및 결빙 조건은 Table 1, 2에 제시하였다. NREL 5 MW급 정격 풍속조건에서의 출력과 표준 규격으로부터 도출된 조건이며, Tip Speed Ratio를 8로 가정한 조건이다. 여기서 R은 블레이드 Root에서 단면까지의 거리이며, V는 에어포일 단면에서의 속도이다.
- Monodisperse의 경우 Langmuir D 분포에 비해 정성적 측면에서 약간의 차이를 보이나, 에어포일 앞전에서의 최대 축적율이 정량적으로 실험결과에 더 근접함을 확인하였다. 이러한 사실과 해석시간의 단축을 위하여 액적의 크기를 Langmuir D 분포가 아닌 Monodisperse로 가정하였다[21].
제안 방법
- 그리고 과냉각된 액적으로 인한 결빙의 영향성을 분석하기 이전에 순수한 공기에 관한 유동장을 먼저 계산하였다. 과냉각된 액적이 풍력블레이드 표면에 충돌하는 영역을 나타내는 축적율을 계산한 다음, 축적율과 유동장 계산 정보를 바탕으로 결빙증식 형상을 예측하였다. 최종적으로 결빙증식 블레이드 형상에 대해 유동장 재해석을 수행하였으며, 그 결과로부터 블레이드 공력계수에 관한 결빙 영향성을 연구하였다[8].
- 복잡한 삼차원 블레이드 유동을 단순화시키기 위해 Root, Middle, Tip 단면에서의 유동을 고려하였다. 그리고 과냉각된 액적으로 인한 결빙의 영향성을 분석하기 이전에 순수한 공기에 관한 유동장을 먼저 계산하였다. 과냉각된 액적이 풍력블레이드 표면에 충돌하는 영역을 나타내는 축적율을 계산한 다음, 축적율과 유동장 계산 정보를 바탕으로 결빙증식 형상을 예측하였다.
- 본 연구에서는 전산해석 기법을 이용하여 고체표면의 결빙이 풍력 블레이드 공력에 미치는 영향성을 계산하였다. 먼저 결빙 해석을 위하여 액적이 없는 상태에서의 유동장 계산을 수행하였으며, 계산된 결과를 바탕으로 일정한 액적크기를 갖는 Monodisperse를 가정한 액적 유동장 계산 및 Rime Ice에 대한 결빙증식 계산을 수행하였다. 계산 결과 받음각 및 속도 변화에 따라 LWC 분포가 달라짐을 확인하였고, 그에 따라 결빙생성 위치 및 증식정도가 달라짐을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 풍력 블레이드의 결빙에 의한 공력 영향성을 연구할 목적으로 CFD 기법에 기초한 최신 전산해석 코드인 FENSAP-ICE를 이용하여 먼저 풍력 블레이드의 결빙 증식을 계산하였다. 복잡한 삼차원 블레이드 유동을 단순화시키기 위해 Root, Middle, Tip 단면에서의 유동을 고려하였다. 그리고 과냉각된 액적으로 인한 결빙의 영향성을 분석하기 이전에 순수한 공기에 관한 유동장을 먼저 계산하였다.
- 본 연구에서는 대기조건에 따라 Rime Ice를 적용하여 해석을 수행하였다. 이에 따라 에너지방정식은 필요로 하지 않으므로, 결빙 증식 방정식은 아래와 같이 간단하게 정의된다.
- 6에 나타내었다. 앞서 풍력블레이드 전산해석 기법의 검증을 위한 2차원 해석 수행 시와 동일하게 유동장의 경계조건을 설정하였으며, FENSAP-ICE 계산용 격자계를 구성하기 위해 Symmetry 조건을 추가하였다. 계산을 위해 약 12만 개의 정렬격자를 사용하였다.
- 액적의 크기를 동일하게 가정한 Monodisperse 분포에 비해 액적의 분포 편차가 클수록 반복계산 시간이 증가하게 되는 반면 축적율의 경향성은 Monodisperse와 Langmiur D 분포가 유사하게 나타난다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 계산 시간이 짧은 Monodisperse 분포를 적용하고 MVD를 고정한 후 계산을 수행하였다[17]. 계산된 액적의 속도와 밀도를 이용하여 액적이 물체에 부딪히는 정량적인 비율인 축적율을 계산할 수 있다[5].
- 2, 3에서는 실제 실험값과 본 연구의 해석 검증 결과가 정성적, 정량적으로 매우 유사함을 알 수 있다. 이를 바탕으로 실제 해석 모델인 NREL 5 MW급 풍력블레이드의 해석을 수행하였다.
- 과냉각된 액적이 풍력블레이드 표면에 충돌하는 영역을 나타내는 축적율을 계산한 다음, 축적율과 유동장 계산 정보를 바탕으로 결빙증식 형상을 예측하였다. 최종적으로 결빙증식 블레이드 형상에 대해 유동장 재해석을 수행하였으며, 그 결과로부터 블레이드 공력계수에 관한 결빙 영향성을 연구하였다[8].
- 0)를 사용하였다. 풍동실험 결과와의 비교를 통해 NREL 5 MW급 풍력발전기의 에어포일 해석에 적합한 난류 모델을 선택하였다[12].
- 풍력 블레이드의 표면에서 발생하는 결빙을 계산하기에 앞서 풍력 블레이드의 구간별 2차원 단면을 모델링하고, 이를 바탕으로 형상정보를 추출하여 격자를 생성하였다. 풍력 블레이드는 NREL 5MW급 모델을 사용하였으며, Fig.
대상 데이터
- Section A에 사용된 에어포일은 DU21, Section B와 C에는 NACA64가 사용되었다. Table 1과 2의 유동해석 조건을 적용하여 전산해석을 수행하였다.
- 검증을 위해 S809 형상을 사용하였으며, 에어포일 중심부로부터 입구 및 상·하 경계면까지 Chord 길이의 10배, 출구 경계면까지 20배 거리를 두도록 설정하였다.
- 검증을 위해 S809 형상을 사용하였으며, 에어포일 중심부로부터 입구 및 상·하 경계면까지 Chord 길이의 10배, 출구 경계면까지 20배 거리를 두도록 설정하였다. 격자 수는 약 12만 개 정렬 격자를 사용하였다. 난류 모델은 단순하면서도 정확도가 높은 Spalart-Allmaras를 적용하였으며, 결빙해석과의 연계를 위하여 에너지 방정식 및 이상기체 방정식을 사용하였다.
- 결빙이 증식되었을 경우 공력특성 변화가 일반적으로 각 Section 별로 다르게 나타날 것으로 예상할 수 있다. 결빙 증식 형상은 Fig. 8과 같으며 결빙의 두께는 대략 Section A에서 6 mm, B에서 11 mm, C에서 22.5 mm로 예측되었다. 이는 각 구간별 코드길이의 0.
- 앞서 풍력블레이드 전산해석 기법의 검증을 위한 2차원 해석 수행 시와 동일하게 유동장의 경계조건을 설정하였으며, FENSAP-ICE 계산용 격자계를 구성하기 위해 Symmetry 조건을 추가하였다. 계산을 위해 약 12만 개의 정렬격자를 사용하였다. 유동해석 조건 및 결빙 조건은 Table 1, 2에 제시하였다.
- 풍력 블레이드의 표면에서 발생하는 결빙을 계산하기에 앞서 풍력 블레이드의 구간별 2차원 단면을 모델링하고, 이를 바탕으로 형상정보를 추출하여 격자를 생성하였다. 풍력 블레이드는 NREL 5MW급 모델을 사용하였으며, Fig. 5와 같이 A, B, C 3개의 구간을 선정하여 결빙해석을 수행하였다. Root 부근 단면에서의 결빙은 코드길이의 약 0.
데이터처리
- 계산 코드의 검증을 위해 Fig. 4와 같이 NACA0012에 대하여 축적율을 실험 결과와 비교하였다. Monodisperse의 경우 Langmuir D 분포에 비해 정성적 측면에서 약간의 차이를 보이나, 에어포일 앞전에서의 최대 축적율이 정량적으로 실험결과에 더 근접함을 확인하였다.
이론/모형
- 032%에 해당하며, 결빙 증식 정도는 유입공기 속도와 밀접하게 관련되어 있음을 확인할 수 있다. 결빙의 두께는 FENSAP-ICE의 하부 패키지인 Viewmerical을 이용하여 도출하였다.
- 결빙증식 모델을 수치적으로 모사하기 위해 전통적으로 비점성 패널 기법 및 Euler-경계층 연계 해석 기법을 활용하여 액적의 궤적을 예측하는 Lagrangian 기법이 사용되었다. 하지만 최근에는 Eulerian 기법을 이용한 액적 추적 방식이 선호되고 있다.
- 격자 수는 약 12만 개 정렬 격자를 사용하였다. 난류 모델은 단순하면서도 정확도가 높은 Spalart-Allmaras를 적용하였으며, 결빙해석과의 연계를 위하여 에너지 방정식 및 이상기체 방정식을 사용하였다. 그 외 조건으로 속력은 20 m/s, 받음각은 각각 0°, 1.
- 대기 중의 과냉각된 액적장을 계산하기 위해 Eulerian 기반의 액적 운동 방정식을 이용하였다. 이는 공기와 액적이 혼합된 다상 유동 모델로 Bourgault et al.
- 유동장 계산 후 풍력블레이드 표면에 충돌하는 액적의 비율을 정량적으로 예측하기 위해 대기에 존재하는 액적의 특성에 대한 조사가 요구된다. 또한 액적궤적 계산을 위해 액적에 대한 연속 방정식과 운동량 방정식을 이용하였다[7].
- 그 후 액적이 물체에 충돌하는 메커니즘을 설명할 수 있는 액적 방정식의 유도 및 축적율 계산, 액적이 물체에 접촉하여 결빙이 증식되는 결빙 증식 계산, 결빙 조건에 노출되어 있는 시간 동안 반복계산 순으로 진행된다. 본 연구에서 사용된 유동장 계산의 지배방정식으로 점성, 압축성 효과를 고려한 3차원 압축성 Navier-Stokes 방정식을 이용하였으며, S809 에어포일 해석과 동일하게 상용 CFD 코드인 ANSYS FLUENT (V13.0)를 사용하였다[16].
- 풍력 블레이드에 발생한 결빙 형상을 계산하기에 앞서 전산해석의 기법 검증에 대한 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 Delft University of Technology의 Low Speed Wind Tunnel에서 수행된 Phase Ⅳ 풍력터빈 블레이드의 실험결과를 바탕으로 검증을 수행하였으며, 검증을 위한 도구로는 상용코드인 ANASYS FLUENT (V13.0)를 사용하였다. 풍동실험 결과와의 비교를 통해 NREL 5 MW급 풍력발전기의 에어포일 해석에 적합한 난류 모델을 선택하였다[12].
- 액적 충돌 및 결빙 증식에 관한 식 (1)-(10)을 유한체적법과 유한요소법에 기초하여 수치적으로 구현한 최신 결빙 시뮬레이션 코드인 FENSAP-ICE 패키지의 하부 모듈인 DROP3D와 ICE3D를 사용하였다[7].
성능/효과
- 4와 같이 NACA0012에 대하여 축적율을 실험 결과와 비교하였다. Monodisperse의 경우 Langmuir D 분포에 비해 정성적 측면에서 약간의 차이를 보이나, 에어포일 앞전에서의 최대 축적율이 정량적으로 실험결과에 더 근접함을 확인하였다. 이러한 사실과 해석시간의 단축을 위하여 액적의 크기를 Langmuir D 분포가 아닌 Monodisperse로 가정하였다[21].
- 먼저 결빙 해석을 위하여 액적이 없는 상태에서의 유동장 계산을 수행하였으며, 계산된 결과를 바탕으로 일정한 액적크기를 갖는 Monodisperse를 가정한 액적 유동장 계산 및 Rime Ice에 대한 결빙증식 계산을 수행하였다. 계산 결과 받음각 및 속도 변화에 따라 LWC 분포가 달라짐을 확인하였고, 그에 따라 결빙생성 위치 및 증식정도가 달라짐을 알 수 있었다. 또한 블레이드 끝단으로 갈수록 결빙의 정도가 심해지는 것을 확인하였다.
- 결빙 전/후의 양력 및 항력 계수 비교결과 그 값이 고 받음각 영역에서 크게 변화한 것을 알 수 있다. 또한 모든 Section에서 최대양력계수 CL,max가 감소한 것을 확인할 수 있으며, Section A를 제외한 나머지 경우에서 CL,max가 나타나는 받음각이 변화한 것을 알 수 있다. Section A의 경우 결빙 전/후의 양력계수 변화가 거의 없음을 확인할 수 있으며, 받음각 20도일 때는 결빙 후의 양력계수가 오히려 약간 높게 나타나는 특이성을 보여주었다.
- Table 1에 제시되어 있는 속도 및 받음각의 정도에 따라 분포가 다양하게 나타남을 확인 할 수 있다. 받음각이 가장 큰 Section A는 고받음각 영역이기 때문에 에어포일 하단부에 걸쳐 LWC가 높게 나타남을 확인할 수 있으며, Section B와 C에서는 에어포일 앞전에서의 LWC가 비교적 높게 나타남을 확인할 수 있다. 각 Section 별로 LWC 분포를 살펴보면 결빙이 생성되는 부분을 예측할 수 있다.
- 또한 결빙증식에 의해 거의 대부분의 경우 양력계수가 감소하고 항력계수가 증가함을 알 수 있었다. 양력계수의 감소 및 항력계수의 증가 정도는 풍력블레이드의 Root 부분에서 끝단으로 갈수록 더 커짐을 알 수 있었으며, 이는 결빙증식의 크기 및 생성위치와 밀접한 관련이 있다. 양력계수가 감소하는 주된 원인은 결빙증식으로 인해 에어포일의 윗면과 아랫면의 압력차이가 줄어들기 때문이며, 항력계수가 증가하는 원인은 에어포일 앞전에서 발생한 결빙으로 인하여 뒷전에서 유동박리가 발생하였기 때문인 것으로 판단된다.
- 풍력 블레이드 표면에 발생한 결빙을 감안한 공력 계산을 통해 결빙이 풍력 블레이드의 공력성능에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다. 특히 블레이드의 끝단은 Root 부분에 비해 공기속도가 증가하여 끝단으로 갈수록 결빙의 두께가 두꺼워지게 된다.
후속연구
- 또한 2차원과 3차원 해석의 차이는 분명히 존재할 것으로 예상하여 향후 3차원에 관한 해석을 추가적으로 수행할 예정이다. 나아가 결빙증식으로 인한 풍력 블레이드의 전체 발전효율 변화에 관한 계산이 필요할 것으로 판단된다. 최종적으로 결빙의 공력 영향성 최소화를 위해 풍력 블레이드용 방/제빙 시스템 장치 해석 및 설계 기술에 관한 연구가 중요할 것으로 예상된다.
- 향후 Monodisperse 가정을 제거한 Langmuir D 분포를 고려한 액적장 계산 및 Glaze Ice 형태의 결빙증식에 대한 계산이 필요할 것으로 판단된다. 또한 2차원과 3차원 해석의 차이는 분명히 존재할 것으로 예상하여 향후 3차원에 관한 해석을 추가적으로 수행할 예정이다. 나아가 결빙증식으로 인한 풍력 블레이드의 전체 발전효율 변화에 관한 계산이 필요할 것으로 판단된다.
- 나아가 결빙증식으로 인한 풍력 블레이드의 전체 발전효율 변화에 관한 계산이 필요할 것으로 판단된다. 최종적으로 결빙의 공력 영향성 최소화를 위해 풍력 블레이드용 방/제빙 시스템 장치 해석 및 설계 기술에 관한 연구가 중요할 것으로 예상된다.
- 풍력 블레이드에 발생한 결빙 형상을 계산하기에 앞서 전산해석의 기법 검증에 대한 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 Delft University of Technology의 Low Speed Wind Tunnel에서 수행된 Phase Ⅳ 풍력터빈 블레이드의 실험결과를 바탕으로 검증을 수행하였으며, 검증을 위한 도구로는 상용코드인 ANASYS FLUENT (V13.
- 향후 Monodisperse 가정을 제거한 Langmuir D 분포를 고려한 액적장 계산 및 Glaze Ice 형태의 결빙증식에 대한 계산이 필요할 것으로 판단된다. 또한 2차원과 3차원 해석의 차이는 분명히 존재할 것으로 예상하여 향후 3차원에 관한 해석을 추가적으로 수행할 예정이다.
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