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대형 풍력발전기 부품의 극한 환경 시험을 위한 극저온 챔버의 열유동 해석에 대한 연구
STUDY ON THE THERMAL-FLUID ANALYSIS OF CRYOGENIC CHAMBER FOR COLD CLIMATE TEST OF LARGE WIND TURBINE PARTS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.20 no.3 = no.70, 2015년, pp.8 - 14  

김민규 (부산대학교 기계공학부) ,  강율호 (부산대학교 기계공학부) ,  박원규 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

More and more, spaces are decreasing which satisfy multiple requirements for wind power plants. However, areas which have excellent wind resources and are free to civil complaints occupy a large space, although they are exposed to the cryogenic environment. This study conducted a thermal-fluid analy...

주제어

#열유동해석   #극저온챔버   #풍력발전기 부품   #저온 환경   #혼합환기   #냉각성능  

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

문제 정의

  • 본 연구에서는 극저온 챔버의 환경이 재실자가 없고 챔버 내의 온도가 빠르게 변화할 수 있어야 하기 때문에 혼합환기의 경우에 대해서만 그 성능을 분석해보았다. 혼합환기 방법들 중에서 천장에서 급기하는 방식은 극저온 챔버 보다는 클린룸 등에서 사용하는 방식으로 온도 제어 보다는 입자 제어에 큰 장점을 가지는 방식이다.
  • 본 연구에서는 대형 풍력발전기 부품을 시험하기 위한 극저온 챔버의 설계를 위하여 급기구와 배기구의 위치에 따라 열유동해석을 수행하였고, 각 조건에서의 내부 공기의 냉각성능을 비교 분석하였다. 또한 시험체가 있을 때에 대한 열유동해석을 수행하여 급기구와 배기구 위치 조건에 따라 시험체의 냉각성능을 평가하였고, 각 조건에서의 내부 공기의 냉각 성능에 따른 기류해석 결과와 비교하여, 시험체의 냉각성능에 대한 평가 역시 극저온 챔버 설계에 있어서 중요한 변수라는 것을 규명하였다.

가설 설정

  • 0을 사용하였다. 챔버 내부로 흐르는 유동을 비정상상태, 비압축성유동으로 가정하였고, FSI(Fluid-Structure Interaction) 기법을 사용하여 시험체와 챔버 내부 유동간의 열전달을 고려하였다. 난류모델은 ANSYS FLUENT에 내장되어 있는 Standard k-e 모델을 사용하였고, 벽면 근처에서의 격자분포는 30 < y+ < 90이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
일반적인 풍력발전기의 한계온도는 몇도인가? 풍력 발전기 설계 측면에서 표준적인 풍력발전기는 설계 온도가 +15℃ 수준인데, 연평균 기온이 0℃ 이하이거나, 1년중 9일 이상 기온이 -20℃ 이하로 지속되는 경우 이를 저온 환경으로 분류한다. 일반적인 풍력발전기의 운전 한계 온도는 -10℃이며, 설계상 한계온도는 -20℃이다. 운전 한계 온도가 -15℃ 이하인 풍력 발전기를 저온환경 풍력발전기라 분류하고 저온 환경 풍력 발전기의 설계 온도는 -40℃이다.
극저온 환경에서의 풍력 발전의 운전 및 유지 보수에 대한 연구는 무엇이 있었는가? Cao et al.[1]은 환기와 기류 분포에 따른 다양한 연구 결과를 정리하고 비교하는 연구를 수행하였다. Emmerich and McGrattan[2]은 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 사용하여 고내 온도와 기류에 대해 열유동해석을 수행하였다. Gan[3]은 공간 내 전열기가 있을 때, 급기구와 배기구의 위치에 따라 온도 및 기류 분포가 달라지는 것을 열유동해석을 통해 규명하였다. Horikiri et al.[4]은 계산 알고리즘과 격자 등이 기류 해석에 미치는 영향을 규명하였다. Zuo and Chen[5]은 다양한 난류 모델에 대하여 열유동해석을 수행 및 분석하였다. Posner et al.[6]은 챔버내 기류를 PIV로 측정한 결과와 챔버내 기류를 k-e 모델로 해석한 결과와 비교하여 칸막이가 설치된 챔버 내 기류 특성에 대해 연구를 수행하였다. Kolesnikov[7]는 챔버 내 기류를 다양한 난류 모델에 대하여 해석을 수행하고 이를 실험값과 비교하였다. Zhao et al.[8]은챔버 내의 상부 급기 하부 토출의 기류 형태에 관한 관찰과 해석을 수행하였고 두 결과를 비교 검증하였다.
풍력 발전기에 있어 극저온 환경은 어떻게 구분되는가? 풍력 발전기에 있어 극저온 환경이란 표준적인 풍력 터빈의 운전 한계 온도와 발전기에 동결이 발생하는 환경으로 구분된다. 극저온 환경에 설치된 풍력 발전기의 70% 이상은 기후의 영향으로 인하여 경제적 손실이 발생하고 있다.
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참고문헌 (8)

  1. 2014, Cao, G., Awbi, H., Yao, R., Fan, Y., Kai, S., Kosonen, R. and Zhang, J., "A review of the performance of different ventilation and airflow distribution systems in buildings," Building and Environment, Vol.73, No.3, pp.171-186. 

  2. 1998, Emmerich, S.J. and McGrattan, K.B., "Application of a Large Eddy Simulation Model to Study Room Airflow," ASHRAE Transactions, Vol.104, No.1, pp.1-9. 

  3. 1995, Gan, G., "Evaluation of room air distribution systems using computational fluid dynamics," Energy and Buildings, Vol.23, No.2, pp.83-93. 

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  4. 2011, Horikiri, K., Yao, Y. and Yao, J., "Numerical Simulation of Convective Airflow in an Empty Room," INTERNATIONAL JOURNAL of ENERGY and ENVIRONMENT, Vol.5, No.4, pp.574-581. 

  5. 2007, Zuo, W. and Chen, Q., "Validation of fast fluid dynamics for room airflow," the 10th International IBPSA Conference, pp.980-983. 

  6. 2003, Posner, J.D., Buchanan, C.R. and Dunn-Rankin, D., "Measurement and prediction of indoor air flow in a model room, Energy and Buildings," Vol.5, No.5, pp.515-526. 

  7. 2006, Kolesnikov, A., "Use of Computational Fluid Dynamics to Predict Airflow and Contamination Concentration Profiles within Laboratory Floor Plan Environment," Applied Biosafety, Vol.11, No.4, pp. 197-214. 

    상세보기 crossref

  8. 1999, Zhao, L., Zhang, Y., Wang, X., Riskowski, G.L. and Christianson, L.L., "Measurement of airflow patterns in ventilated spaces using particle image velocimetry," An ASAE Meeting Presentation, Paper No.994156. 

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