[논문]내부유체 공진을 이용한 'Y'자 수로형 공명구조물내 파도응답 특성

김정록; 조일형

doi:10.9765/kscoe.2019.31.3.170

초록
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본 연구에서는 에너지 밀도가 낮은 해역내의 파랑에너지를 증폭시키기 위한 'Y'자 수로형 공명구조물내 파도응답 특성을 살펴보았다. 수로형 공명구조물은 긴 수로와 수로 입구에 유도판(wave guider)을 설치한 형태이다. 입사파의 주기가 공명구조물내 유체의 고유주기와 일치하면 공진이 발생하여 내부유체는 정지파 형태로 크게 증폭한다. 수로내의 파도응답을 해석하기 위하여 정합점근전개법과 경계요소법을 이용하였다. 계산결과는 제주대학교 2차원 조파수조에서 수행된 실험결과와 비교하였고 일치함을 확인하였다. 파랑유도판은 입사파의 주기에 따라 최적의 길이와 설치각도가 존재하며 특히, 공진주기에서 벗어난 주기 대역에서 증폭비를 높이는데 효과적이었다. 수로형 공명구조물내 내부유체의 공진으로 최대파고가 형성되는 파복(anti-node) 위치에 점흡수식 파력발전장치를 위치시킨다면 효과적으로 파랑에너지를 추출할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the wave responses in a 'Y'shape water channel resonator for amplifying wave energy of a low density has been investigated. A water channel resonator is composed of the long channel and wave guider installed at the entrance. If the period of the incident waves coincides with the natur...

In this study, the wave responses in a 'Y'shape water channel resonator for amplifying wave energy of a low density has been investigated. A water channel resonator is composed of the long channel and wave guider installed at the entrance. If the period of the incident waves coincides with the natural period of the fluid in a water channel resonator, resonance occurs and the internal fluid amplifies highly to a standing wave form. In order to analyze the wave response in a water channel resonator, we used the matched asymptotic expansion method and boundary element method. The both results were in good agreement with the results of the model test carried out in the two-dimensional wave tank of Jeju National University. Wave guider has an optimum length and installation angle according to the period of the incident wave, and especially effective in enhancing the amplification factor in a period range deviated from the resonance period. It is expected that the wave energy can be effectively extracted by placing the point absorber wave energy converter at the position of anti-node where the maximum wave height is formed by the internal fluid resonance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 파랑에너지 밀도가 낮은 해역에서 파랑에너지를 전기 생산이 가능한 기준 이상으로 증폭시키는 ‘Y’자 수로형 공명구조물을 제안하였고, 공명구조물 내 내부유체의 공진을 이용한 파랑에너지 증폭 효과를 살펴보았다. Fig.

가설 설정

유도판이 없는 폭 2a, 길이 L인 사각형 공명구조물이 수심 h인 바닥면에 놓여 있을 때 입사파가 공명구조물을 향하여 진행한다고 가정한다. 공명구조물의 폭이 입사파의 파장(λ)에 비해 작고, 파와 공명구조물간의 마찰 및 수로 입구에서의 박리에 의한 에너지 손실은 무시하였다.

제안 방법

파랑에너지 밀도가 낮은 해역에서 파랑에너지를 높이기 위해 고안된 ‘Y’자 수로형 공명구조물의 에너지 증폭효과를 이론적 방법과 실험적 방법을 통해 살펴보았다. 먼저, 유도판이 없는 사각형 공명구조물에 대한 수로내 파도응답 해석방법으로 정합점근전개법을 사용하였고, 조파수조를 이용한 모형실험을 통해 해석해를 검증하였다. 해석결과와 모형실험 결과는 잘 일치하였다.
파랑에너지 밀도가 낮은 해역에서 파랑에너지를 높이기 위해 고안된 ‘Y’자 수로형 공명구조물의 에너지 증폭효과를 이론적 방법과 실험적 방법을 통해 살펴보았다. 먼저, 유도판이 없는 사각형 공명구조물에 대한 수로내 파도응답 해석방법으로 정합점근전개법을 사용하였고, 조파수조를 이용한 모형실험을 통해 해석해를 검증하였다.

이론/모형

본 논문에서는 ‘Y’자 수로형 공명구조물내 파도응답 특성을 체계적으로 살펴보기 위하여 먼저, 유도판이 없는 단순한사각형태의 수로형 공명구조물을 고려하였고 근사해법인 정합점근전개법(matched asymptotic expansion method: MAEM)을 이용하여 살펴보았다. 한편 수로입구에 유도판이 놓인 문제에는 수치해법인 경계요소법(boundary element method:BEM)을 사용하여 파도응답을 계산하였다.
본 논문에서는 ‘Y’자 수로형 공명구조물내 파도응답 특성을 체계적으로 살펴보기 위하여 먼저, 유도판이 없는 단순한사각형태의 수로형 공명구조물을 고려하였고 근사해법인 정합점근전개법(matched asymptotic expansion method: MAEM)을 이용하여 살펴보았다. 한편 수로입구에 유도판이 놓인 문제에는 수치해법인 경계요소법(boundary element method:BEM)을 사용하여 파도응답을 계산하였다. 이론적으로 구한 해석해와 수치해는 제주대학교 2차원 조파수조에서 수행한 모형실험 결과와 비교하여 검증하였다.

성능/효과

실험주기 범위내에서 여러 개의 유체 공진주기가 나타나는 것으로 보아 수로내에는 여러 공진모드가 존재함을 알 수 있었다. 내부유체의 공진으로 인해 크게 증폭된 수로내 수면운동의 최대값은 파복에서 발생하며 파절에서는 최소값이 일어남을 확인하였다. 한편, 수로입구에 부채꼴 모양의 유도판을 설치한 ‘Y’자 수로형 공명구조물내의 파도응답은 경계요소법을 사용하여 수치해를 구하고 모형실험결과와 비교하였다.
최적의 유도판의 형상을 찾기 위하여 유도판의 길이와 설치각도를 바꿔가며 수로내의 파도응답을 살펴보았다. 수로내 파도응답에 큰 영향을 미치는 내부유체의 공진주기는 유도판의 설치각도 및 길이에 따라 변화가 거의 없었으며, 유도판의 설치각도는 40도와 60도에서 높은 증폭비가 넓은 주기범위에서 잘 나타나 해석 범위내에서는 최적값으로 판단하였다. 그리고 유도판의 길이 변화에 따른 계산 결과로부터 특정 주기대역에서 최대 증폭비를 주는 최적의 유도판의 길이가 존재함을 확인하였다.
두 결과는 서로 잘 일치하였다. 외해의 파랑에너지를 수로내로 모아주는 유도판은 특히, 내부유체 공진주기에서 벗어난 주기대역에서 증폭비를 높이는데 효과적임을 수치적, 실험적 방법을 통하여 밝혔다. 최적의 유도판의 형상을 찾기 위하여 유도판의 길이와 설치각도를 바꿔가며 수로내의 파도응답을 살펴보았다.

후속연구

유도판은 설치비용뿐만 아니라 구조적인 문제를 동반하므로 설계에 있어 단순히 최대 증폭비를 얻기 위해 과도한 설계안을 도출하기 보다는 설치해역의 파랑특성을 고려하여 적절한 각도와 길이를 선택하는 것이 중요하다. 유도판을 포함한 수로형 공명구조물은 낮은 에너지 밀도를 가진 파랑에너지를 크게 높이는 데 효과적임을 밝혔으며, 향후 파력발전장치와 같은 에너지 추출 시스템에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
수로내 파도응답은 내부유체의 공진과 유도판 설치를 통해 넓은 주기대역에서 높은 증폭비를 얻을 수 있었다.제안된 수로형 공명구조물은 파력발전기의 에너지 추출 효율을 높이거나 파력발전장치 개발에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도판의 유무에 따라 공진주기이동과 증폭비의 값 차이가 나는 이유는?	6b와 비교하면 공진주기의 이동과 증폭비의 값 차이가 나타남을 볼 수 있다. 이는 유도판의 설치로 수로내부유체의 공진주기 변화와 점성에 의한 감쇠력의 차이를 유발하였기 때문으로 사료된다.
	우리나라가 파력발전의 적지로 평가받지 못하는 이유는?	특히, 파랑에너지로부터 전기에너지를 생산하는 파력발전장치의 경우, 설치 해역의 파랑에너지 밀도가 전력생산에 큰 영향을 미친다. 파랑에너지 밀도가 높은 몇몇 유럽 국가들을 제외하고 바다를 접한 우리나라를 포함한 대부분 국가들은 파랑에너지 밀도가 낮아 파력발전의 적지로 평가받지 못하고 있다. 그러나 미래의 에너지 수요와 화력, 원자력 발전으로 유발되는 환경문제를 고려한다면 이를 극복하기 위한 연구가 요구된다.
	파력발전장치는 어떤 에너지를 변환하는가?	바람 강도의 지역적인 차이로 인해 풍속, 취송거리, 지속시간에 따라 변하는 파랑에너지도 지역적인 편차가 크게 나타난다. 특히, 파랑에너지로부터 전기에너지를 생산하는 파력발전장치의 경우, 설치 해역의 파랑에너지 밀도가 전력생산에 큰 영향을 미친다. 파랑에너지 밀도가 높은 몇몇 유럽 국가들을 제외하고 바다를 접한 우리나라를 포함한 대부분 국가들은 파랑에너지 밀도가 낮아 파력발전의 적지로 평가받지 못하고 있다.

참고문헌 (16)

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