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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 다중으로 구성된 수중익 기반의 덕트로, 액체 상태 유동의 유속 변동성에 능동적으로 대응할 수 있는지 살펴보았다. 특히 덕트의 내부 유속을 가시화하기 위해 입자 영상 유속계(Particle Image Velocimetry, PIV)를 이용한 실험적 방법을 이용하였으며, 전산 수치해석을 통해 비교하였다.
제안 방법
- 또한 덕트의 출구부를 구성하는 수중익이 확산기(diffuser) 역할을 하게 되며 각도를 변경 가능하게 구성하였다. 각도는 0도와 7.5도가 되도록 설정하였으며, 확산기가 유동에 의해 흔들리지 않도록 후면에 고장력 볼트와 너트를 조합하여 구성하였다.
- 사용된 형광 입자는 평균 직경 30 μm를 갖는 유리질 중공체(glass hollow)재질을 사용하였고, 개수로 특성상 일정특정 농도 비율을 정량화하기 어려웠다. 그래서 32 X 32 유의한 픽셀(pixel) 내 평균 20개의 입자가 나타나도록 형광 입자 투입량을 조절하였다.
- 다중 수중익과 이를 지지하는 프레임은 개수로의 테스트 섹션 내 유리 표면과 유체에 의한 난반사와 산란효과를 최소화하기 위해, 검정색 무광 스프레이를 이용하여 전체 도색 하였다. 또한 덕트의 출구부를 구성하는 수중익이 확산기(diffuser) 역할을 하게 되며 각도를 변경 가능하게 구성하였다.
- 다중 수중익과 이를 지지하는 프레임은 개수로의 테스트 섹션 내 유리 표면과 유체에 의한 난반사와 산란효과를 최소화하기 위해, 검정색 무광 스프레이를 이용하여 전체 도색 하였다. 또한 덕트의 출구부를 구성하는 수중익이 확산기(diffuser) 역할을 하게 되며 각도를 변경 가능하게 구성하였다. 각도는 0도와 7.
- 본 연구에서는 확산 방식의 다중 수중익 덕트 내부 유동을 실험적인 방법과 전산 수치해석 방법을 통하여 가시화하였다. 실험의 경우 덕트의 확산기 각도를 0도에서 7.
- 수중익의 형상과 배치는 기존 덕트형 수직축 조류발전 시스템을 참고하여 구성하였다(4). 수중익은 PLA원료(Poly Lactic Acid filament)로 3차원 프린터 장비(Makerbot, Inc.)를 통해 제작하였으며, 아크릴 유리와 연결 프레임을 이용하여 입사 유속 대비 수직 방향으로 가시화가 용이하게 만들고 개수로 벽면에 고정될 수 있도록 제작하였다.
- 이 때, 가로-세로 각각 2048 X 2048 픽셀의 해상도를 이용했다. 유동장 분석 시에는 64 X 64 픽셀에서 32 X 32 픽셀로 감소기법을 적용 후, 상관영역(interrogation area)의 50% 화상중복(overlap)을 계산하여 속도 분포를 얻었다.
- 이를 통해 프레임 간 획득된 이미지 128개의 세트(set)를 앙상블(ensemble) 평균하여 유동장을 분석하였다. 이미지 분석의 경우 상용 소프트웨어인 Insight 4G(TSI, Inc.
- 그림 4는 수치해석을 위한 경계조건을 보여주고 있으며, 유동 영역은 가로와 세로 각각 2,250 mm, 650 mm 로 확산기의 가속 성능 비교를 위해 실험 환경과 동일한 크기로 선정하였다. 전방에 유속입구(velocity-inlet)조건, 후방에는 압력출구(pressureoutlet) 조건을 적용하였으며 덕트와 하부는 벽면(wall) 조건, 상부는 대칭(symmetry) 조건을 적용하여 실험 환경과 유사도를 갖도록 구성하였다. 이때, 입구 내 입사 유속 또한 0.
- 따라서 본 연구에서는 다중으로 구성된 수중익 기반의 덕트로, 액체 상태 유동의 유속 변동성에 능동적으로 대응할 수 있는지 살펴보았다. 특히 덕트의 내부 유속을 가시화하기 위해 입자 영상 유속계(Particle Image Velocimetry, PIV)를 이용한 실험적 방법을 이용하였으며, 전산 수치해석을 통해 비교하였다.
- 한편, 개수로 내 유입되는 유속의 정확도를 확인하기 위해 ADV(Acoustic Doppler Velocimetery, Nortek, Inc.)를 이용하여 설정 유속 0.6 m/s 대비 10 초간 평균 오차 ± 0.02 m/s 를 얻도록 개수로 개문을 조절하였다.
대상 데이터
- 그림 4는 수치해석을 위한 경계조건을 보여주고 있으며, 유동 영역은 가로와 세로 각각 2,250 mm, 650 mm 로 확산기의 가속 성능 비교를 위해 실험 환경과 동일한 크기로 선정하였다. 전방에 유속입구(velocity-inlet)조건, 후방에는 압력출구(pressureoutlet) 조건을 적용하였으며 덕트와 하부는 벽면(wall) 조건, 상부는 대칭(symmetry) 조건을 적용하여 실험 환경과 유사도를 갖도록 구성하였다.
- 다중 수중익으로 구성된 덕트 내에서 실험상의 유속 특성을 비교하기 위해 실험과 동일한 규격의 모델을 전산 수치해석 대상으로 고려하였다. 이때, 확산기의 각도가 0도인 경우를 기본 모델로, 확산기 각도가 0도 대비 7.
- 사용된 형광 입자는 평균 직경 30 μm를 갖는 유리질 중공체(glass hollow)재질을 사용하였고, 개수로 특성상 일정특정 농도 비율을 정량화하기 어려웠다.
- 그림 5에는 수치해석을 수행하기 위한 격자를 나타내었다. 수치 해의 수렴성을 확인한 조밀한 격자로 구성하였으며, 이 때 총 격자 수는 446,074개이다.
- 실험에 사용된 수조는 개수로(open water channel) 형태로서 폭 0.6 m, 길이 25 m를 갖는 한국해양과학기술원의 순환형 장비이며, 개수로 수문 개폐 조건에 따라 입사 유속은 최대 1 m/s로 운영이 가능하다.
- 다중 수중익으로 구성된 덕트 내에서 실험상의 유속 특성을 비교하기 위해 실험과 동일한 규격의 모델을 전산 수치해석 대상으로 고려하였다. 이때, 확산기의 각도가 0도인 경우를 기본 모델로, 확산기 각도가 0도 대비 7.5도 변경된 경우를 비교 대상으로 설정하였다.
- 입자 영상 유속계의 경우 개수로의 연속적으로 유입되는 일정한 유속 환경에 적합하도록, 펄스(pulse) 타입의 Nd:YAG 레이저를 사용하였으며 실험 선정 유속 0.6 m/s 기준에서 연속 획득 주기는 7.25 Hz, 프레임 간 딜레이(delay)는 850 μs 을 사용하였다.
이론/모형
- 먼저 그림 1과 같이 세 개의 서로 다른 수중익(hydrofoil)을 갖도록 덕트를 구성하였다. 수중익의 형상과 배치는 기존 덕트형 수직축 조류발전 시스템을 참고하여 구성하였다(4). 수중익은 PLA원료(Poly Lactic Acid filament)로 3차원 프린터 장비(Makerbot, Inc.
- 수치해석에 있어서는 상용 코드인 FLUENT(ANSYS, Inc.)를 사용하여 2차원 정상 유동해석을 수행하였으며 SST K-ω 난류 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 17 m/s로서 실험과 유사하게 확산기 각도 증가에 따른 덕트 내 유속 증가를 확인하였다. 따라서 다중 수중익으로 구성된 덕트를 이용함으로써 덕트 내 유속 조절이 가능하며, 이를 통해 유입 유속의 변동성에 대한 대응 가능성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 확산 방식의 다중 수중익 덕트 내부 유동을 실험적인 방법과 전산 수치해석 방법을 통하여 가시화하였다. 실험의 경우 덕트의 확산기 각도를 0도에서 7.5도로 변화시킴에 따라, 유입 유속 0.6 m/s 대비, 덕트 내 최대 유속은 1.35 m/s에서 1.52 m/s로 증가됨을 확인하였다. 전산 수치해석의 경우에도 0도의 경우 최대유속이 1.
- 지금까지 실험과 수치해석의 두 가지 방법을 통해, 확산기를 이용하면 덕트 내 유속을 조절할 수 있고, 확산기를 제어함으로써 유속 변동성에 대응할 수 있음을 확인하였다.
- 71E5로서 난류영역에 해당된다. 특히 세 개의 각기 다른 수중익 중, 유체가 유입되는 입구 부근에 위치하고 곡률이 가장 큰 수중익 근처에서 최대 가속이 나타나는 경향을 확인할 수 있다.
- 표 1의 결과에 의하면 실험과 수치해석 간 공간상의 조건이 다소 다르더라도, 동일한 입사 유속 조건에서 확산기 각도 증가에 따라 덕트 내 유속도 유사하게 증가됨을 확인할 수 있다.
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