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문제 정의
- 본 연구는 수평축 조류발전 터빈의 보다 정확한 성능 추정을 위해 날개 변형 효과를 포함하는 비 설계 조건에 대한 고려가 반드시 요구된다는 것을 시사하였다.
- 본 연구의 목적은, 첫째, 강체 날개로 가정한 수평축 조류발전 터빈의 성능 해석을 수행하고 실험 결과와 비교하여 해석 기법을 검증한다. 둘째, 강한 연성 기법으로 복합재 유연 날개에 대한 FSI 해석을 수행하고, 그 결과를 강체 날개 결과와 비교한다.
가설 설정
- FSI 해석을 수행하기에 앞서, 같은 조건에서 날개를 강체로 가정한 해석을 수행하였다. Fig.
제안 방법
- CFD를 이용한 수평축 조류발전 터빈의 성능 해석 기법을 정립하였다. 성능 해석 기법의 정도는 실험 결과와 그 결과를 비교하여 검증하였다.
- Bahaj et al.[2007]이 수행한 모델 스케일의 수평축 조류발전 터빈의 성능 계측 시험 결과와, 시험에 사용된 터빈과 동일한 모델에 대해 본 연구에서 정립된 CFD 해석 절차를 이용하여 도출된 해석 결과를 서로 비교하였다. Fig.
- 본 연구의 목적은, 첫째, 강체 날개로 가정한 수평축 조류발전 터빈의 성능 해석을 수행하고 실험 결과와 비교하여 해석 기법을 검증한다. 둘째, 강한 연성 기법으로 복합재 유연 날개에 대한 FSI 해석을 수행하고, 그 결과를 강체 날개 결과와 비교한다.
- 4 범위에 대해 성능 해석을 수행하였다. 또한, 날개를 복합재 유연 재질로 가정한 조건에서, 설계 TSR 대한 FSI 해석을 수행하여 날개 변형을 예측하고 터빈의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 결과로부터 날개 변형을 고려하지 않을 시에는 터빈 성능, 캐비테이션 초생 조건, 소음 및 진동 문제 등을 과도하게 추정할 수 있음을 확인하였다.
- 4는 구조해석을 위한 날개 표면 격자를 나타낸다. 보다 정확한 변형량 예측을 위해 날개 전연 및 후연 부에 조밀한 격자를 분포시켰다. 터빈 날개는 복합재 E-glass reinforcing fiber로 모델링 되었으며, 재료 물성치는 Table 1과 같다.
- 비정상 시뮬레이션을 수행하였으나, 날개 변형 과정 보다는 최종 변형 상태에 초점을 맞추어 해석을 수행하였다. 압력 기반의 유한 체적 기법이 적용되었으며, 시간 항은 2차 정도의 내재적 기법을 통해 이산화 되었고, 이송 항은 2차 정도의 high resolution 기법으로 이산화 되었다.
- 3으로 유지되어, 공간격자의 확장 비를 일정하게 유지하였다. 산정된 격자 케이스에 대해 설계 TSR 조건에서 해석을 수행하여 결과를 도출하였다.
- 설계 TSR 조건에서 FSI 해석이 수행되었다. 조류의 흐름이 날개의 변형을 유발하였고, 변형 거동은 유체력과 구조 복원력이 같아지는 평형 상태에 도달하여 멈추었다.
- 수평축 조류발전 터빈의 날개를 강체로 가정한 조건에서, TSR 2.7~10.4 범위에 대해 성능 해석을 수행하였다. 또한, 날개를 복합재 유연 재질로 가정한 조건에서, 설계 TSR 대한 FSI 해석을 수행하여 날개 변형을 예측하고 터빈의 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
- [2010]등은 CFD를 이용하여 수평축 조류발전 터빈의 후류가 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 수평축 조류발전 터빈의 후류 분포를 예측하고 인접한 터빈간의 최적 거리를 도출하였다. MaCombes et al.
- 양의 x축 방향을 유동 방향, 양의 y축 방향을 우변 방향, 양의 z 축 방향을 수직상향으로 하는 직교좌표계를 도입하여, 좌표계의 원점은 허브의 중심으로 하였다. 따라서 x축이 시계 반대 방향으로 회전하는 터빈의 회전축이 된다.
- 코드 길이, 두께, 피치 분포 등은 Bahaj의 문헌에 제공되었다. 이를 바탕으로 제작된 3D 형상 파일에 본 연구에서 제시한 격자 기법과 해석 기법을 적용하여 해석을 수행하였다.
- [2012]은 풍력 터빈의 날개 변형 효과를 고려하기 위하여 약한 연성 기법으로 공력, 구조, 소음 해석을 수행하는 기법을 개발하였다. 이를 통해 날개 변형이 터빈 성능 및 소음에 미치는 영향을 분석하였다. 더불어, Young[2008]은 경계 요소법(Boundary Element Method; BEM)과 FEM을 결합하는 코드를 개발하여 복합재 선박용 프로펠러의 거동을 분석하는 연구를 수행하였다.
- 적절한 수준의 격자가 사용되었는지 검증하기 위하여, 격자 의존도 시험을 수행하였다. 격자 의존도 시험은 미국기계학회(American Society of Mechanical Engineers; ASME)에서 제안하는 절차에 따라 진행하였다(Celik et al.
- [2012]). 회전하는 터빈 날개의 흡입면 전연 부 및 날개 끝에서 높은 속도의 유동에 의한 낮은 압력이 발생하기 때문에, 보다 정확한 예측을 위해 날개 전연 및 후연 부 표면에 보다 더 조밀한 격자를 분포시켰다. 150만개의 비 정렬격자 셀과 50만개의 정렬격자 셀로 구성되어 총 200만개의 격자 셀이 해석에 사용되었다.
대상 데이터
- 회전하는 터빈 날개의 흡입면 전연 부 및 날개 끝에서 높은 속도의 유동에 의한 낮은 압력이 발생하기 때문에, 보다 정확한 예측을 위해 날개 전연 및 후연 부 표면에 보다 더 조밀한 격자를 분포시켰다. 150만개의 비 정렬격자 셀과 50만개의 정렬격자 셀로 구성되어 총 200만개의 격자 셀이 해석에 사용되었다. Fig.
- 5는 캐비테이션 터널에서의 터빈과, 본 연구에서 제작된 날개 형상을 나타낸다. 날개 3개로 이루어진 직경 800 mm의 수평축 조류발전 터빈이 사용되었으며, 날개는 NACA 63-8xx 시리즈를 이용하여 총 17개의 단면으로 구성되어 제작되었다. 코드 길이, 두께, 피치 분포 등은 Bahaj의 문헌에 제공되었다.
- 본 연구에서 제안하는 해석 기법의 타당성을 보이기 위해 해석 대상 터빈을 정의하였다. 정격 출력 100 kW를 목표로 하여 설계된 수평축 조류발전 터빈은 날개 3개로 구성되었고, 직경은 8m이며, NACA 633-418 단면을 이용하여 제작되었다.
- [2009]). 본 연구에서는 수평축 조류발전 터빈을 대상으로 하여 연구를 수행하였다.
- 61로 도출되어, 본 해석의 공간에 대한 해석 정도인 2차에 가까운 값으로 확인되었다. 외삽된 토크 값은 12264.01 Nm이며, approximate relative error는 2.08%, extrapolated relative error는 1.83%, grid convergence index는 2.33%로 도출되어, 적절한 수준의 격자수가 사용된 것으로 판단하였으며, 최종 해석은 medium 케이스인 2,332,798개의 격자를 사용하여 수행하였다.
- 본 연구에서 제안하는 해석 기법의 타당성을 보이기 위해 해석 대상 터빈을 정의하였다. 정격 출력 100 kW를 목표로 하여 설계된 수평축 조류발전 터빈은 날개 3개로 구성되었고, 직경은 8m이며, NACA 633-418 단면을 이용하여 제작되었다. 단면 형상은 r/R =0.
- 터빈 날개는 복합재 E-glass reinforcing fiber로 모델링 되었으며, 재료 물성치는 Table 1과 같다. 조류발전 터빈 날개의 재료인 복합재에 대한 구조 물성치는 복합재 배치 설계에 따라 그 특성이 매우 다양하고 실제 설계 값을 얻기도 어렵기 때문에, 풍력발전 터빈의 관련 연구에서 참고한 값을 인용하여 사용하였다. (Bazilevs et al.
데이터처리
- CFD를 이용한 수평축 조류발전 터빈의 성능 해석 기법을 정립하였다. 성능 해석 기법의 정도는 실험 결과와 그 결과를 비교하여 검증하였다.
이론/모형
- [2011]은 복합재 수평축 조류발전 터빈의 설계를 위한 FSI 시뮬레이션 기법을 개발한 바 있다. CFD와 유한요소법(Finite Element Method; FEM)을 약한 연성 기법(loose coupling method)으로 결합하여 직경 20 m, 날개 3개의 수평축 조류발전 터빈에 적용하였다. 그러나 아직까지 조류발전 터빈 분야의 연구는 기초 단계에 있기 때문에, 수평축 조류발전 터빈의 FSI에 대한 연구는 활발하지 못한 실정이다.
- 적절한 수준의 격자가 사용되었는지 검증하기 위하여, 격자 의존도 시험을 수행하였다. 격자 의존도 시험은 미국기계학회(American Society of Mechanical Engineers; ASME)에서 제안하는 절차에 따라 진행하였다(Celik et al.[2008]). Table 2는 날개 변형 효과 시뮬레이션에 사용된 격자의 의존도 시험 결과를 요약하여 나타낸다.
- 난류 모델로는 Menter[1994]가 제안한 k-ω SST 모델이 적용되었다.
- 압력 기반의 유한 체적 기법이 적용되었으며, 시간 항은 2차 정도의 내재적 기법을 통해 이산화 되었고, 이송 항은 2차 정도의 high resolution 기법으로 이산화 되었다. 속도-압력 연성은 Rhie and Chow[1982]가 제안한 이산화 기법으로 수행되었다.
- 비정상 시뮬레이션을 수행하였으나, 날개 변형 과정 보다는 최종 변형 상태에 초점을 맞추어 해석을 수행하였다. 압력 기반의 유한 체적 기법이 적용되었으며, 시간 항은 2차 정도의 내재적 기법을 통해 이산화 되었고, 이송 항은 2차 정도의 high resolution 기법으로 이산화 되었다. 속도-압력 연성은 Rhie and Chow[1982]가 제안한 이산화 기법으로 수행되었다.
- 유동 해석 장의 속도와 압력을 도출하기 위해 질량 보존 방정식, 운동량 보존 방정식을 고려하였고, 난류의 영향을 고려하기 위해 질량 보존 방정식 및 운동량 보존 방정식을 시간 평균하여 난류모델을 적용하는 Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) 방정식을 도입하였다. 지배방정식에 대한 정의는 Park et al.
- 유체장 해석을 위해 상용 CFD 프로그램인 ANSYS CFX 13.0, 구조장 해석을 위해 ANSYS Transient Structural이 채택되었으며, 두솔버는 강한 연성 기법으로 결합되었다.
- 터빈 날개 단독상태에서의 회전 운동을 표현하기 위해 Rotating Reference Frame(RRF) 기법을 적용하였다. RRF 기법과 주기 경계조건을 이용하면 날개 3개의 터빈을 날개 1개의 부분모델로 간주하여 해석을 수행할 수 있다.
- 터빈 날개는 no slip 조건 및 유체-구조 연성 경계면이 설정되었다. 터빈 날개를 둘러싸는 비 정렬 격자 영역과 그 이외의 정렬 격자 영역 사이에서는 General Grid Interface(GGI)기법을 이용한 비정합 연결 조건이 적용되었으며, 도메인의 양쪽 측면 경계면에서는 주기 경계조건이 설정되었다.
성능/효과
- TSR에 대한 성능계수가 실험 결과로 발표되었으며, 터빈 성능은 0° yaw angle 및 25° hub pitch angle 조건에서 계측되었다.
- Table 2는 날개 변형 효과 시뮬레이션에 사용된 격자의 의존도 시험 결과를 요약하여 나타낸다. 격자 수 998,300, 2,332,798, 5,523,567개의 세 가지 격자 케이스를 산정하였고, 각 격자 케이스 간의 셀 크기 대표 값(representative cell, h) 비율이 약 1.3으로 유지되어, 공간격자의 확장 비를 일정하게 유지하였다. 산정된 격자 케이스에 대해 설계 TSR 조건에서 해석을 수행하여 결과를 도출하였다.
- 또한, 날개를 복합재 유연 재질로 가정한 조건에서, 설계 TSR 대한 FSI 해석을 수행하여 날개 변형을 예측하고 터빈의 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 결과로부터 날개 변형을 고려하지 않을 시에는 터빈 성능, 캐비테이션 초생 조건, 소음 및 진동 문제 등을 과도하게 추정할 수 있음을 확인하였다.
- 5ρAU∞3)으로 나타낸 그림이다. 그림과 같이 본 연구에서 정립된 CFD 해석 기법의 결과가 실험결과와 경향성이 잘 일치하며, 이를 통해 본 연구의 해석 기법이 터빈 성능을 잘 예측한다는 것을 확인할 수 있다.
- 7은 강체 터빈 날개의 성능 곡선을 나타낸다. 날개 3개 수평축 조류발전 터빈의 전형적인 성능곡선 형태를 보이며, 최대 성능 계수는 설계 TSR인 5.2에서 도출되었다.
- 날개에 작용한 토크는 각각 11273 Nm, 11790 Nm, 12040 Nm로 계산되었고, 해석의 apparent order는 2.61로 도출되어, 본 해석의 공간에 대한 해석 정도인 2차에 가까운 값으로 확인되었다. 외삽된 토크 값은 12264.
- 12는 터빈 날개 변형의 고려 유무에 따른 성능 계수 차이를 나타낸다. 설계 TSR에서 수행된 FSI 해석으로부터 도출된 변형된 날개의 성능은 강체 날개에 비해 약 1.9% 낮게 도출되었다. 이는 터빈 날개의 변형을 고려하지 않을 시에, 터빈의 성능을 과도하게 예측할 수 있다는 점을 시사한다.
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