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문제 정의
- 본 연구에서는 발전소에서 사용된 상당한 양의 냉각수가 입구를 통해 배출될 때 입구 전방에 매우 빠른 유속구간이 존재하고 흐름이 진행되면서 유속이 점차 느려지는 제트류(Jet flow) 영역에서 수직축 터빈을 배치하는 흐름식 발전에 대해 연구하고자 하였다. 구체적으로는 제트류 영역에 대하여 제트류의 유동 특성을 파악하고, 그 영역 하에서 터빈 직경, 터빈과 입구간 거리에 따른 터빈 성능을 비교하였으며, 입구 전방에 터빈 배치에 따른 성능 및 발전량을 비교하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 발전소에서 사용된 상당한 양의 냉각수가 입구를 통해 배출될 때 입구 전방에 매우 빠른 유속구간이 존재하고 흐름이 진행되면서 유속이 점차 느려지는 제트류(Jet flow) 영역에서 수직축 터빈을 배치하는 흐름식 발전에 대해 연구하고자 하였다. 구체적으로는 제트류 영역에 대하여 제트류의 유동 특성을 파악하고, 그 영역 하에서 터빈 직경, 터빈과 입구간 거리에 따른 터빈 성능을 비교하였으며, 입구 전방에 터빈 배치에 따른 성능 및 발전량을 비교하였다.
- 통상 조류발전터빈은 조류에너지 즉, 터빈으로 유입되는 유속에 따라 성능이 달라지고, 수치해석시 각 터빈 날개는 균일한 유속을 받는다는 조건에서 수행하게 되며, 터빈이 일정한 속도로 회전함에 따라 토크가 발생된다. 그러나 앞서 언급한 바와 같이 제트류 영역에서 구동되는 터빈은 속도 프로파일을 갖는 유입류를 받게 되므로그에 따른 터빈 성능을 2차원 수치계산을 이용하여 조사하였다. 수치계산은 터빈 직경(DT/DF=0.
- 동일한 입구에 터빈의 직경 크기에 따른 직경비(DT/DF)에 대한 영향을 알아보기 위해 거리비 x/DF=1.0에서 TSR=3.0일 때의 평균 동력계수 및 발전량을 조사하였다(Fig. 9).
- 수치해석은 2차원으로 수행하였고, 유입 속도조건은 1/7th power law profile을 적용하였다. 계산영역의 크기는 상방향으로 10DF, 하방향으로 15DF 만큼 구성하였다.
- 입구가 1, 2개인 경우 월성 원전의 토출구 유량을 토대로 유속 2.95 m/s 조건에서 x/DF=2.0에 터빈을 1~4기까지 설치하는 것으로 하여 총 다섯 가지 경우로 나누어 성능 및 발전량을 비교해보고자 하였다. 입구 1개에 대해서는 x/DF=2.
- 조류발전용 수직축 터빈에 대한 선행 연구결과를 바탕으로 제트류 영역 및 그에 설치된 수직축 터빈의 특성을 파악하기 위해 수치 해석을 수행하였고 다음의 결과들을 도출하였다.
대상 데이터
- 난류모델은 k-ω SST모델을 사용하였고, 계산은 Xu and Antonia[2002]의 실험과 동일한 조건으로 수행하였다. 또한, 격자의존도(Grid-dependency)를 알아보기 위해 성긴 격자(Coarse grid)로부터 조밀 격자(Fine grid)까지 격자수를 2배씩 증가시켜 결과를 비교하였고, 총 격자수는 성긴 격자는 3,978개, 중간 격자는 7,840개, 조밀 격자는 15,444개로 구성하였다.
- 0에서의 속도 프로파일을 실험결과와 비교한 것으로 성긴 격자에서 조밀 격자로 갈수록 실험과 잘 일치하는 것을 알 수 있었는데, 격자가 증가함에 따라 y/DF=0에서의 속도가 근접하며, -1에서 1까지의 프로파일 폭이 좁아지면서 실험결과에 가까워지는 것을 확인하였다. 이상의 결과로부터 본 연구에서는 중간격자(Medium grid)를 채택하였다.
- 한편, 본 논문에서 다루고자 하는 대상 터빈은 수직축 형식으로 Hyun et al.[2012]이 다양한 설계변수에 따른 연구를 통해 가장 성능이 우수하도록 설계한 100 kW급 터빈으로 선정하였다. 다만 통상적인 방수로 토출구의 크기를 고려하여 터빈의 직경을 토출구 직경(DF)과 동일하도록 직경과 스팬길이를 2.
데이터처리
- (1) 제트류 영역에서의 흐름을 파악하기 위해 검증 및 수치해석을 수행하였다. 수치해석 검증은 실험결과와 잘 일치함을 확인하였고, 입구 1개인 경우 x/DF=4.
- 거리비의 영향을 알아보기 위해 DT/DF=1.0인 터빈을 x/DF=1.0, 2.0, 3.0, 5.0, 7.5에서 TSR=3.0일 때의 성능을 비교하였다. 입구와 터빈간 거리가 증가함에 따라 효율을 나타내는 평균동력계수(Mean power coefficient)와 발전량(Power; P)을 나타내었다(Fig.
- 격자의존도 평가결과를 바탕으로 입구가 1개인 경우(Case I)와 2개인 경우(Case II)에 대해 2차원 수치해석을 수행하였다(Fig. 4).
이론/모형
- 유입 및 유출 조건은 Velocity inlet과 Pressure outlet 조건을 부여하였고, 솔버(Solver)는 범용 소프트웨어인 FLUENT를 이용하였다. 난류모델은 k-ω SST모델을 사용하였고, 계산은 Xu and Antonia[2002]의 실험과 동일한 조건으로 수행하였다. 또한, 격자의존도(Grid-dependency)를 알아보기 위해 성긴 격자(Coarse grid)로부터 조밀 격자(Fine grid)까지 격자수를 2배씩 증가시켜 결과를 비교하였고, 총 격자수는 성긴 격자는 3,978개, 중간 격자는 7,840개, 조밀 격자는 15,444개로 구성하였다.
- 그러나 파이프를 통해 빠져나오는 흐름은 완전 발달된 난류 속도 프로파일에 거의 근접한다(Xu and Antonia[2002]; Fox and McDonald[1994]). 이는 채널이나 파이프의 벽면의 마찰에 기인된 완전 발달된 속도 프로파일을 갖는 흐름이 그대로 빠져나오게 됨에 따라 이러한 영역에서 터빈 성능을 파악하기 위해서는 입구로 부터 나오는 유입류가 마땅히 속도 프로파일을 가져야 함을 의미하므로 Xu and Antonia[2002]의 실험 결과를 바탕으로 제트류 영역에 대한 해석 및 검증을 수행하였다.
- 5)에 따른 성능을 비교하였다. 터빈 격자는 제트류 영역 계산시 사용했던 계산영역에 수직축 터빈이 포함된 격자를 사용하였고, 전체 계산영역은 회전영역(Rotating zone)과 비회전영역(Non-rotating zone)으로 구분하였으며, 영역 간에 만나는 경계는 터빈 회전기법인 미끄러짐 격자법(Sliding Mesh Method)을 적용하기 위해 인터페이스(Interface) 조건을 부여하였다(Fig. 6).
성능/효과
- (2) 수직축 터빈을 포함한 제트류 영역에 대해 입구와 터빈간 거리, 터빈 직경에 따른 효율 및 발전량을 예측하였다. 거리비가 증가함에 따라 효율이 감소함을 확인하였고 이는 거리 증가로 인해 터빈 날개로 유입되는 유속의 차이가 동력계수의 차이에 기인함을 확인하였다.
- (3) 입구가 1개와 2개인 경우에 대해 유속 2.95 m/s 조건에서 입구로부터 2배 떨어진 지점에 제트류 영역 내에 직경이 다른 터빈을 배치하여 성능 및 발전량을 예측하였다. 입구가 1개일 때 입구 직경의 0.
- 0에서는 절반으로 감소함을 확인하였다. 2개인 경우는 입구가 인접해 있음에 따라 자기보존유동현상이 예측되었고, x/DF=12.0에서는 입구 1개인 경우의 속도프로파일 형상과 유사해짐을 확인하였으며, 각 경우 터빈은 입구로부터 4배 떨어진 범위 내에 배치하는 것이 적절함을 알 수 있었다.
- (2) 수직축 터빈을 포함한 제트류 영역에 대해 입구와 터빈간 거리, 터빈 직경에 따른 효율 및 발전량을 예측하였다. 거리비가 증가함에 따라 효율이 감소함을 확인하였고 이는 거리 증가로 인해 터빈 날개로 유입되는 유속의 차이가 동력계수의 차이에 기인함을 확인하였다. 또한 터빈 직경이 입구 직경과 동일할 때 효율이 가장 좋은 것을 확인하였고, 입구의 2배인 경우 터빈 날개가 입구로부터 형성된 흐름을 벗어나 회전함에 따라 효율이 오히려 낮아짐을 확인하였다.
- 거리비가 증가함에 따라 효율이 감소함을 확인하였고 이는 거리 증가로 인해 터빈 날개로 유입되는 유속의 차이가 동력계수의 차이에 기인함을 확인하였다. 또한 터빈 직경이 입구 직경과 동일할 때 효율이 가장 좋은 것을 확인하였고, 입구의 2배인 경우 터빈 날개가 입구로부터 형성된 흐름을 벗어나 회전함에 따라 효율이 오히려 낮아짐을 확인하였다.
- (1) 제트류 영역에서의 흐름을 파악하기 위해 검증 및 수치해석을 수행하였다. 수치해석 검증은 실험결과와 잘 일치함을 확인하였고, 입구 1개인 경우 x/DF=4.0부터 중심 속도가 감소하여 16.0에서는 절반으로 감소함을 확인하였다. 2개인 경우는 입구가 인접해 있음에 따라 자기보존유동현상이 예측되었고, x/DF=12.
- 95 m/s 조건에서 입구로부터 2배 떨어진 지점에 제트류 영역 내에 직경이 다른 터빈을 배치하여 성능 및 발전량을 예측하였다. 입구가 1개일 때 입구 직경의 0.25배인 터빈 3기, 0.5배인 터빈 2기, 그리고 1.0배인 터빈 1기를 배치한 결과 입구 직경과 동일한 크기의 터빈을 배치하는 것이 효율 및 발전량 측면에서 가장 유리함을 확인하였고, 0.25배인 터빈 3기의 경우 터빈 회전방향에 따른 효율차이가 존재함을 알 수 있었는데, 시계-반시계 방향으로 회전하는 경우가 반시계-시계방향 보다 효율이 더 좋음을 확인하였다. 입구가 2개인 경우 역시 입구 직경과 동일한 크기의 터빈을 각각 배치하는 것이 유리하고 터빈 1기당 약 30 kW 발전량이 예측됨을 확인하였다.
- 25배인 터빈 3기의 경우 터빈 회전방향에 따른 효율차이가 존재함을 알 수 있었는데, 시계-반시계 방향으로 회전하는 경우가 반시계-시계방향 보다 효율이 더 좋음을 확인하였다. 입구가 2개인 경우 역시 입구 직경과 동일한 크기의 터빈을 각각 배치하는 것이 유리하고 터빈 1기당 약 30 kW 발전량이 예측됨을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구결과는 제트류 영역에 대해 터빈을 개념 설계하는데 유용할 것으로 기대된다. 향후 제트류 영역에서 구동하는 인접한 두 터빈의 성능 변화를 상세하게 파악하기 위해 터빈간 간격, 터빈 회전방향, TSR에 대한 체계적인 연구가 더 이루어져야 할 것으로 예상된다.
- 본 연구결과는 제트류 영역에 대해 터빈을 개념 설계하는데 유용할 것으로 기대된다. 향후 제트류 영역에서 구동하는 인접한 두 터빈의 성능 변화를 상세하게 파악하기 위해 터빈간 간격, 터빈 회전방향, TSR에 대한 체계적인 연구가 더 이루어져야 할 것으로 예상된다.
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