[논문]뒷전 두께를 갖는 NACA64-418 익형의 꼬리형상에 따른 공력특성

유홍석; 이장창

doi:10.6112/kscfe.2014.19.4.094

뒷전 두께를 갖는 NACA64-418 익형의 꼬리형상에 따른 공력특성
AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF NACA64-418 AIRFOIL WITH BLUNT TRAILING EDGE ACCORDING TO THE SHAPE OF TRAILING EDGE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.19 no.4 = no.67, 2014년, pp.94 - 99

Abstract ▼ AI-Helper

The aerodynamic performance of a modified NACA64-418 with blunt trailing edges of irregular shape was investigated. As the trailing edge of the airfoil was thickened, the drag of the airfoil was increased due to development of a re-circulation bubble in the wake region. To reduce the drag of the airfoil with a blunt trailing edge, the optimum shape of the trailing edge for a modified NACA64-418 was investigated. The numerical results showed that the drag of the protruding shape was much more decreased than that of the retreating shape, but the lift was almost the same regardless of shape. In addition, the pitching moment of the modified NACA64-418 with a protruding sharp trailing edge was the smallest at the given angle of attack.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

풍력터빈의 파손된 팁 블레이드가 수리과정을 거치면 뒷전이 두꺼운 익형의 형상으로 변형되고 이는 곧 익형의 항력증가로 이어진다[5]. 본 논문에서는 Yoo and Lee[5]의 후속 연구로써 뒷전 두께비를 갖는 익형의 다양한 꼬리형상에 대해 풍력터빈의 가동 풍속 범위 내에서 익형의 항력이 감소되는 최적의 꼬리형상을 유도하고자 한다.
풍력터빈의 파손된 팁 블레이드가 수리과정을 거치면 뒷전이 두꺼운 익형의 형상으로 변형되는데 이는 곧 익형의 항력 증가로 이어진다. 본 논문에서는 뒷전 두께비를 갖는 익형의 다양한 꼬리형상에 대해 풍력터빈의 가동 풍속 범위 내에서 공력성능을 조사하고 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

먼저 수정 NACA64-418 익형 주위의 유동을 2차원 정상(steady) 비압축성 점성유동으로 가정하고 익형 주위로 C type의 정렬격자를 생성하였다. 공기의 압력과 온도는 각각 1 atm과 288.15 K로 가정하였으며 Far field 크기는 시위의 15배로 설정하였다. 경계조건으로는 pressure outlet 조건과 velocity inlet 조건을 사용하였다.
먼저 수정 NACA64-418 익형 주위의 유동을 2차원 정상(steady) 비압축성 점성유동으로 가정하고 익형 주위로 C type의 정렬격자를 생성하였다. 공기의 압력과 온도는 각각 1 atm과 288.

제안 방법

15 K로 가정하였으며 Far field 크기는 시위의 15배로 설정하였다. 경계조건으로는 pressure outlet 조건과 velocity inlet 조건을 사용하였다. 또한 pressure based 조건과 내재적법 (implicit method) 및 least-square cell based 조건을 사용하였으며 공간차분법으로는 second order upwind scheme과 SIMPLE 을 사용하였다.
10은 뒷전 두께비(t_TE/t_max)가 30%이고 뒷전 꼬리 형상이 둥근모양의 수정 NACA64-418 익형 주위에 C-type의 정렬격자를 생성한 그림이며 경계층과 후류 영역에 조밀한 격자가 분포하고 있다. 꼬리 형상의 후류영역 유동을 조명하기 위해 보다 조밀한 격자를 사용하였다.
높은 레이놀즈수(O(106))와 받음각 -10°<α<20°에 대해 수정된 세 익형의 2D 공력특성을 조사하였다.
7). 뒷전 꼬리 형상들의 변형은 시위(chord) 길이 1m와 뒷전 두께(t_TE)를 기준으로 곡률반경(t_TE/2)을 이용하여 조정하였다. 먼저 뒷전 꼬리가 둥글게 돌출된(protruding) 경우는 시위 길이 1 m를 맞추기 위해 원호가 뒷전 두께의 수직선에 접하도록 하고 원호의 중심은 캠버선 위에 위치하도록 설계하였다.
뒷전 두께비가 30%인 익형의 꼬리형상은 크게 돌출형(protruding type)과 파먹힌형(retreating type)으로 나누어 모사하였다(Fig. 7). 뒷전 꼬리 형상들의 변형은 시위(chord) 길이 1m와 뒷전 두께(t_TE)를 기준으로 곡률반경(t_TE/2)을 이용하여 조정하였다.
먼저 뒷전 꼬리가 둥글게 돌출된(protruding) 경우는 시위 길이 1 m를 맞추기 위해 원호가 뒷전 두께의 수직선에 접하도록 하고 원호의 중심은 캠버선 위에 위치하도록 설계하였다. 또한 뒷전 꼬리가 뾰족하게 돌출된 경우는 둥근 원호가 윗면과 아랫면에서 만나는 점과 캠버 선과 수직선이 만나는 점을 서로 직선으로 연결하여 설계하였다. 반대로 파먹힌(retreating) 두 경우는 뒷전 수직선으로부터 곡률반경만큼 제거하여 설계하였다.
먼저 adding thickness 방법을 이용하여 파손된 팁 블레이드 (NACA64-418)가 수리 후 뒷전이 두꺼워진 모습의 수정 NACA64-418 익형으로 형상화하였다(Fig. 6). 상용 프로그램인 Maple과 최소제곱 회귀분석법의 곡선접합(curve fitting)을 이용하여 수리된 익형 형상에 부합하도록 표면 곡선 방정식을 구하였으며, 뒷전 두께비(t_TE/t_max)가 30%인 수리된 익형의 형상을 모사하고 있다.
뒷전 꼬리 형상들의 변형은 시위(chord) 길이 1m와 뒷전 두께(t_TE)를 기준으로 곡률반경(t_TE/2)을 이용하여 조정하였다. 먼저 뒷전 꼬리가 둥글게 돌출된(protruding) 경우는 시위 길이 1 m를 맞추기 위해 원호가 뒷전 두께의 수직선에 접하도록 하고 원호의 중심은 캠버선 위에 위치하도록 설계하였다. 또한 뒷전 꼬리가 뾰족하게 돌출된 경우는 둥근 원호가 윗면과 아랫면에서 만나는 점과 캠버 선과 수직선이 만나는 점을 서로 직선으로 연결하여 설계하였다.
풍동실험은 Re=6 × 10⁶ 의 조건하에서 수행되었으며 이에 상응하는 속도 90 m/s와 총 격자수 50,000개를 사용하여 수치해석을 수행하였었다. 본 연구에서는 이러한 정밀도를 바탕으로 풍력터빈의 가동풍속인 상류유동 속도 26 m/s와 최적 격자수 20,500개를 선정하여 뒷전 꼬리형상에 따른 수치해석을 수행하였다.
6). 상용 프로그램인 Maple과 최소제곱 회귀분석법의 곡선접합(curve fitting)을 이용하여 수리된 익형 형상에 부합하도록 표면 곡선 방정식을 구하였으며, 뒷전 두께비(t_TE/t_max)가 30%인 수리된 익형의 형상을 모사하고 있다. 표면 곡선 방정식의 윗면은 식 (1)과 같이 8차 다항식으로 아랫면은 식 (2)의 10차 다항식으로 나타난다.
풍동실험은 Re=6 × 106 의 조건하에서 수행되었으며 이에 상응하는 속도 90 m/s와 총 격자수 50,000개를 사용하여 수치해석을 수행하였었다.

이론/모형

또한 pressure based 조건과 내재적법 (implicit method) 및 least-square cell based 조건을 사용하였으며 공간차분법으로는 second order upwind scheme과 SIMPLE 을 사용하였다. 난류모델로는 Transition SST를 사용하였으며 Turbulence intensity는 0.1%로 설정하였다.
경계조건으로는 pressure outlet 조건과 velocity inlet 조건을 사용하였다. 또한 pressure based 조건과 내재적법 (implicit method) 및 least-square cell based 조건을 사용하였으며 공간차분법으로는 second order upwind scheme과 SIMPLE 을 사용하였다. 난류모델로는 Transition SST를 사용하였으며 Turbulence intensity는 0.

성능/효과

(1) 돌출된(protruding) 꼬리 형상의 항력이 파먹힌(retreating) 꼬리 형상의 항력보다 훨씬 감소되었다. 그 중에서도 돌출된 둥근(protruding round) 형상이 제일 크게 항력을 감소시키는 형상임을 알 수 있었다.
(2) 모든 형상의 양력은 받음각이 증가함에 따라 선형적으로 증가하였고, 주어진 받음각에서의 양력은 꼬리 형상에 관계없이 거의 같은 값을 나타내고 있었다.
(3) 돌출된(protruding) 꼬리 형상의 피칭모멘트의 값은 파먹힌(retreating) 꼬리 형상의 피칭모멘트 값보다 작게 형성되었다. 그 중에서도 뾰족하게 돌출된(protruding sharp) 형상의 피칭모멘트가 가장 작은 값을 나타내고 있었다.
(4) 최대양력계수 비교에서는 돌출된(protruding) 꼬리 형상의 실속앙각이 파먹힌(retreating) 꼬리 형상의 실속앙각보다 약 3° 정도 작게 나타났다.
Standish and Van Dam[3]은 기본(baseline) 익형, truncated 익형(cutting off 방법), 그리고 blunt trailing edge 익형(adding thickness 방법) 등의 세 종류의 익형을 유도하고 수치해석을 이용하여 그 공력특성들을 조사하였다. TR-35 익형(기본 익형)과 TR-35.80(truncated 익형) 익형의 공력성능 비교에서는 최대 두께비 t/c가 증가할수록 익형의 공력성능이 저하됨을 볼 수 있었고, TR-35 익형(기본 익형)과 TR- 35-10 익형(blunt trailing edge 익형)의 공력성능 비교에서는 양력곡선의 선형구간에서 TR-35-10 익형의 공력성능이 TR-35의 공력성능 보다 훨씬 개선된 것으로 나타났다.
NACA4421 익형에 대해 Murcia and Pinilla[4]는 cutting off 방법과 adding thickness 방법을 이용하여 뒷전이 두꺼운 수정된 익형 20개를 유도하고 ANSYS CFX를 이용하여 그 공력성능을 비교 분석하였다. 그 결과 adding thickness 방법의 최대 양력이 cutting off 방법의 최대양력 보다 훨씬 크게 나타났으며 임계(critical) 받음각도 크게 증가하는 것으로 나타났다.
높은 레이놀즈수(O(10⁶))와 받음각 -10°<α<20°에 대해 수정된 세 익형의 2D 공력특성을 조사하였다. 그 결과 뒷전 두께가 증가할수록 항력계수의 값은 크게 증가하였지만 양력계수의 값은 비교적 적게 변하였고 공력중심 위치는 뒷전으로 이동함을 보였다.
9와 받음각 -10°<α<10°사이에서의 양력과 모멘트 특성을 조사하여, 뒷전 두께 h가 증가할 때 최대 양력계수는 증가하고 피칭 모멘트 곡선의 기울기는 더 큰 음의 값을 나타내고 있음을 보였다. 또한 뒷전 두께가 상당히 두꺼운 경우에는 후류영역에서 Karman vortex streets이 나타나서 익형의 항력 값이 크게 증가함을 보였다.
상류 유동 속도 0.3<Mach<0.9와 받음각 -10°<α<10°사이에서의 양력과 모멘트 특성을 조사하여, 뒷전 두께 h가 증가할 때 최대 양력계수는 증가하고 피칭 모멘트 곡선의 기울기는 더 큰 음의 값을 나타내고 있음을 보였다.
)에 따른 공력성능을 비교 분석하였다. 수치해석 결과, 뒷전 두께비가 증가할수록 수정 NACA64-418 익형의 양력 변화는 미미하였으나 항력은 크게 증가함을 보였다. NACA64-418 익형은 풍력터빈 블레이드 제조사인 IEA wind 사의 Mexico 모델의팁 블레이드로 채택된 익형이다(Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력터빈 블레이드의 수명은 무엇인가?	풍력에너지는 에너지 밀도가 높은 신재생에너지원으로써 국내외 많은 지역에서 풍력발전단지가 조성되어 가동되고 있다. 풍력터빈 블레이드는 복합재료를 적층하여 만들어지는데 그 운전 수명은 대략 10 ~ 20년으로 알려져 있다. 장기간 사용으로 인해 풍력터빈의 팁(Tip) 블레이드는 복합재료가 벌어져 파손되는 경우가 많으며 수리 보수 과정을 거쳐 수명을 연장하여 사용하고 있다(Fig.
	수리된 팁 블레이드의 형상을 어떻게 변하는가?	1). 수리과정을 거친 팁 블레이드는 뒷전이 두꺼운 익형(Blunt Trailing Edge Airfoil)으로 변형되어 익형의 후류영역에 역압력 구배가 발달하고 이는 익형의 공력특성에 상당한 영향을 미친다(Fig. 2).
	뒷전이 두꺼운 익형 생성 방법 중 cutting off 방법의 단점은 무엇인가?	cutting off 방법은 시위(chord) 길이를 뒷전으로부터 일정 길이만큼 잘라내고 짧아진 시위 길이를 다시 1(a unit chord length)이 되도록 재설정하는 방법이다. 이 방법은 익형의 두께비(t/c) 값이 증가하고 익형의 캠버선(camber line)이 달라진다는 문제점이 있다(Fig. 3).

참고문헌 (8)

1950, Summer, J.L. and Page, W.A., "Lift and Moment Characteristics at Subsonic Mach Numbers of Four 10-percent-Thick Airfoil Sections of Varying Trailing-edge Thicknes," Ames Aeronautical Laboratory, NACA RM A50J09.
1950, Smith, H.A. and Schaefer, R.F., "Aerodynamic Characteristic at Reynolds Numbers of 3.0x106 and 6.0x106 of Three Airfoil Sections Formed by Cutting off Various amount from the near Portion of the NACA0012 Airfoil Section," Langley Aeronautical Laboratory, NACA TN 2074.
2003, Standish, K.J. and Van Dam, C.P., "Aerodynamic Analysis of Blunt Trailing Edge Airfoils," Journal of Solar Energy Engineering, Vol.125, pp.479-487.

상세보기
2011, Murcia, J.P. and Pinilla, A., "CFD Analysis of Blunt Trailing Edge Airfoils Obtained with Several Modification Methods," Universidad de los Andes. Bogota D.C., Colombia. rev.ing. ISSN. 0121-4993. Enero-junio de, pp.14-24.
2014, Yoo, H.S. and Lee, J.C. "2D Aerodynamic Analysis of Tip Blade of Wind Turbine after Repair," KSCFE Spring Conference, pp.48-53.
2012, Schepers, J.G, Boorsma, K., Cho, T., Gomez-Iradi, S., Schaffarczyk P., Jeromin A., Shen W.Z., Lutz T., Meister K., Stoevesandt B., Schreck S., Micallef D., Pereira R., Sant T., Madsen H.A., and Sorensen N., "Final report of IEA Task 29, Mexnext(Phase 1): Analysis of Mexico wind tunnel measurements," iea wind. http://www.mexnext.org/resultsstatus
2009, Timmer, W.A., "An overview of NACA 6-digit airfoil series characteristics with reference to airfoils for large wind turbine blades," AIAA 2009-268.
Rolling Stone Corporation. http://www.rs-corp.co.kr

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증