[논문]로터 위치에 따른 쉬라우드 내부 유동장 특성 분석

박다인; 한석종; 이욱재; 이상호; 최혁진; 임종석

doi:10.9765/kscoe.2020.32.1.48

로터 위치에 따른 쉬라우드 내부 유동장 특성 분석
Analysis of Flow Field Characteristics Inside a Shroud for Rotor Positions 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.32 no.1, 2020년, pp.48 - 54

박다인 (원광대학교 기계공학과) , 한석종 (원광대학교 기계공학과) , 이욱재 (원광대학교 토목환경공학과) , 이상호 (원광대학교 기계공학과) , 최혁진 ((주)해안해양기술) , 임종석 (화진기업)

초록
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로터 위치 및 쉬라우드 입구 유속 변화에 따른 쉬라우드 내부 유동장 및 기계적 출력 분석을 위해 수치해석을 수행하였고 이를 실험결과와 비교하였다. 로터와 해수의 유동조건은 쉬라우드 조류발전 시스템 내 유동장 특성에 많은 영향을 미치게 된다. 특히 실린더 내 축 방향 위치에 따른 로터의 기계적 출력은 실린더 중앙 이후까지 점차 증가하며, 입·출구 부근에서는 감소하였다. 또한 쉬라우드 입구 유속이 증가함에 따라 로터 출력량이 점차 증가하였다. 축 방향 운동량과 각운동량은 로터를 통과하면서 급격하게 증가 및 감소하였으며, 전방을 포함한 그 외 영역에서의 큰 변화는 없었다. 이러한 결과들은 조류발전 시스템 개발의 기초 자료로 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical analysis was carried out to analyze the flow fields and mechanical output of a rotor for various positions and inlet flow rates in a shroud, and it was compared with experimental data. Rotor and seawater current largely affects the flow field characteristics in the shroud system. Especially the mechanical output of the rotor increased with axial position near the center of the cylinder, and it gradually decreased close to the entrance and exit. Also, the rotor output increased with the inlet velocity. Axial and angular momentum of flow along the cylinder region rapidly increased and reached a peak, and then decreased as it passed through the rotor, while there was no significant change in the cylinder region. It is expected that these results can be used as applicable design data for the development of the tidal power generation system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 로터의 축 방향 위치 및 내부 유동장 변화에 따른 기계적 특성을 분석했다. 이를 통해 효율적인 조류발전 시스템 개발에 필요한 기초적인 자료를 제공하고자 하였다.
본 연구에서는 로터의 축 방향 위치 및 내부 유동장 변화에 따른 기계적 특성을 분석했다. 이를 통해 효율적인 조류발전 시스템 개발에 필요한 기초적인 자료를 제공하고자 하였다.

가설 설정

본 연구에서 분석하고자 하는 조류발전기의 쉬라우드 내부에 흐르는 해수유동은 정상상태의 난류 운동으로 가정하였으며 일반적인 RNG k-ε 난류 모델을 이용하였다.
이에 따라 일반적인 국내의 조류속도(약 1~2 m/s)와 모형의 형상비를 적용하여 입구속도를 약 0.1~0.35 m/s로 가정하였다.
유동장의 지배방정식들을 풀기 위하여 SIMPLE 알고리즘의 2차 상류차분법(Second Order Upwind Scheme)을 적용한 유한체적법이 사용되었다. 이와 함께 쉬라우드 모형은 실제에 대한 4/25 형상비로 제작되었으며, 해석의 경계조건으로 일정한 유속조건의 입구와 출구를 각각 설정하였고, 그리고 유체의 물성치는 일정한 것으로 가정하였다. 입구 속도는 실제 해수 유속을 고려하여 모형실험의 속도관계를 Froude 법칙을 적용한 식(7)이 적용되었다.

제안 방법

Dassault System Inc.(2018)에서 개발한 3D CAD 프로그램인 Solidworks를 이용하여, 로터 형상과 조류발전기의 쉬라우드 내부 형상을 구현하였다. Fig.
또한 쉬라우드 내 해수의 유동은 로터의 회전에 따라 영향을 받게 되며, 단면 별 유동방향 운동량 및 회전도 영향을 미치게 된다. 로터 토크와 유동의 회전력과 관련된 실린더 내 유체의 운동량과 각운동량의 분포특성을 파악하기 위해 Fig. 11을 통해 쉬라우드 내 축 방향 단면 별 운동량 및 각 운동량을 비교하였다. 여기서 I와 S는 각각 유체의 운동량과 각 운동량을 나타낸 것이며, 식 (9)~(10)와 같다.
발전이 이루어지는 로터의 작동을 볼 수 있도록 가시화 창이 설치되었으며, 로터의 토크(SNC-100KC) 및 입·출구, 실린더 터빈 앞 등 각 부분에서 유속과 압력(P710)을 측정하였다.
본 연구에서는 쉬라우드 내 로터 위치 및 입구 유속 증감에 따른 출력량, 내부 유동을 수치해석을 통해 분석하였고 실험결과와 비교하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
3에 표시되어 있으며, 로터 위치가 실린더 중앙인 경우의 쉬라우드 입·출구를 나타낸 것이다. 여기서 노즐 입구에서 완전 발달 유동이 이루어지도록 직경의 약 10배 정도만큼의 거리에 유입구를 위치하였으며, 쉬라우드의 중앙 기준으로 로터의 축 방향 위치를 실린더 직경의 약 0.35배 간격으로 변화한 모델들에 대한 해석을 수행하였다.

대상 데이터

4는 로터가 실린더의 중앙에 위치한 경우의 격자계를 나타낸 것으로 복잡한 로터 형상 주변에는 사면체, 그 외에는 육면체 격자를 사용하였다. 격자수 의존성과 관련하여 약 100만~1,600만 개 경우들의 해석 결과들을 비교하였고, 약 810만 개와 1,600만 개의 결과들에 대해 노즐 입구 면의 평균 유속 차이는 약 0.5% 이내로 예측되어 여기서는 약 810만 개의 격자계를 사용하였다.
7은 실제의 모형 실험 장치를 나타낸 것으로 노즐-실린더-디퓨저의 구조를 해수가 통과하면서 로터를 통해 발전하는 구조로 이루어져 있다. 특히 로터의 축은 수직으로 외부에 연결되어 전력을 생산하는 방식으로 실험이 이루어졌으며, 쉬라우드는 스테인리스 스틸(Sus 304)의 재질로 제작하였다. 해수의 유량은 약 7.
특히 로터의 축은 수직으로 외부에 연결되어 전력을 생산하는 방식으로 실험이 이루어졌으며, 쉬라우드는 스테인리스 스틸(Sus 304)의 재질로 제작하였다. 해수의 유량은 약 7.6~22.8 kg/s이며, 사용된 펌프의 용량과 수조의 크기는 각각 500 m³/h와 17,200 l 정도이다. 또한 Fig.

이론/모형

본 연구에서 해석을 위해 사용한 격자 생성 프로그램은 Ansys 社에서 개발한 Ansys Meshing이다.
(2018)를 사용하였다. 유동장의 지배방정식들을 풀기 위하여 SIMPLE 알고리즘의 2차 상류차분법(Second Order Upwind Scheme)을 적용한 유한체적법이 사용되었다. 이와 함께 쉬라우드 모형은 실제에 대한 4/25 형상비로 제작되었으며, 해석의 경계조건으로 일정한 유속조건의 입구와 출구를 각각 설정하였고, 그리고 유체의 물성치는 일정한 것으로 가정하였다.
이와 함께 쉬라우드 모형은 실제에 대한 4/25 형상비로 제작되었으며, 해석의 경계조건으로 일정한 유속조건의 입구와 출구를 각각 설정하였고, 그리고 유체의 물성치는 일정한 것으로 가정하였다. 입구 속도는 실제 해수 유속을 고려하여 모형실험의 속도관계를 Froude 법칙을 적용한 식(7)이 적용되었다.

성능/효과

(2009)은 수치해석과 실험을 이용하여 조류발전 유입구에 설치된 덕트의 길이 및 유입속도에 따른 유속변화를 분석하였다. 그 결과로 덕트 길이가 짧을수록 유속이 증가하였으며, 이에 따라 출력량도 증가한다고 제시하였다. Kim and Lee(2012)는 CFD 해석을 수행하여 쉬라우드 내부의 노즐 형상의 각도에 따른 내부의 해수 유동장을 분석하였고, 이를 통해 노즐-디퓨저 형상의 내부 유속이 크게 변화되는 것을 나타내었다.
이는 로터가 저항체의 역할을 하여 유체가 통과하는 면적이 감소하면서 벽 부근에서는 가속이 크게 되지만 중심 유속은 점차 감소하는 것으로 판단되며, 로터가 없는 경우 실린더 내 비교적 균일한 속도분포와 차이가 나타나게 된다. 또한 로터 위치가 출구에 가까울수록 전방에서의 유속 변화가 크지 않는 영역이 증가하였으며, 후방의 디퓨저 영역에서 와류 영역이 감소하였다. 로터 전면에서의 평균 유속은 로터 위치가 중앙으로 접근할수록 노즐 입구 대비 약 5배 정도까지 증가하였으며, 평균 유속은 실린더 중앙 및 출구에서 각각 입구 대비 약 4.
또한 유속이 증가함에 따라 실험과 해석 결과의 차이는 비교적 감소하였으며, 0.3 m/s 조건에서 약 5.6%로 나타났다.
34)의 실린더 벽 부근에 비해 중심 부분에서 단면 내 압력차이가 약 660 Pa 정도가 높은 편이이며, 후방 영역에서는 전방에 비해 압력의 변화가 작은 편이다. 또한 출구로 갈수록 실린더 벽과 로터 부근 사이에서 나타난 가속된 영역에서의 압력은 부분적으로 증가하였고, 벽 부근(x/D = 4.44)에서 압력이 비교적 낮게 나타났다. 실린더 내 전방 영역(x/D = 1.
또한 로터 위치가 출구에 가까울수록 전방에서의 유속 변화가 크지 않는 영역이 증가하였으며, 후방의 디퓨저 영역에서 와류 영역이 감소하였다. 로터 전면에서의 평균 유속은 로터 위치가 중앙으로 접근할수록 노즐 입구 대비 약 5배 정도까지 증가하였으며, 평균 유속은 실린더 중앙 및 출구에서 각각 입구 대비 약 4.2%와 2.3% 정도 증가하였다. 로터 통과 후 실린더 벽과 로터 사이에서의 유속은 면적의 감소에 따라 로터 앞에서부터 급속히 가속되어 입구 대비 약 10배 정도까지 증가하였다.
[m/s]는 단면에서의 접선속도, 그리고 r[m]은 단면 반지름이다. 운동량은 쉬라우드 내부 직경 감소 및 로터를 통과하면서 증가하였으며, 로터 후방에서는 점차 감소하는 것을 볼 수 있다. 이와 함께 쉬라우드 내 노즐의 직경이 감소되는 영역(x/D ≤ 0.
로터 통과 후 실린더 벽과 로터 사이에서의 유속은 면적의 감소에 따라 로터 앞에서부터 급속히 가속되어 입구 대비 약 10배 정도까지 증가하였다. 이와 함께 출구부에 가까워질수록 연결된 디퓨저 부분에서 와류분포 영역이 넓어지고 중앙의 유속도 점차 감소하는 것으로 나타났다.

후속연구

추후 다양한 쉬라우드 형상에 대한 역학적인 연구가 필요할 것으로 판단되며 이러한 결과는 효율적인 조류발전 시스템의 개발에 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로터와 해수의 유동조건은 무엇에 영향을 미치게 되는가?	로터 위치 및 쉬라우드 입구 유속 변화에 따른 쉬라우드 내부 유동장 및 기계적 출력 분석을 위해 수치해석을 수행하였고 이를 실험결과와 비교하였다. 로터와 해수의 유동조건은 쉬라우드 조류발전 시스템 내 유동장 특성에 많은 영향을 미치게 된다. 특히 실린더 내 축 방향 위치에 따른 로터의 기계적 출력은 실린더 중앙 이후까지 점차 증가하며, 입·출구 부근에서는 감소하였다.
	최근 친환경 대체에너지 개발에 대한 필요성이 점차 증가하고 있는 이유는 무엇인가?	최근 화석에너지 연료의 감소와 지구온난화에 따른 탄소배출 저감의 중요성 강화로 친환경 대체에너지 개발에 대한 필요성이 점차 증가하고 있다. 이러한 대체에너지 중 조류에너지는 지속적인 활용이 가능하며, 계절의 변화에 크게 의존하지 않아 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다.
	친환경 대체에너지 중 조류에너지는 어떠한 장점이 있는가?	최근 화석에너지 연료의 감소와 지구온난화에 따른 탄소배출 저감의 중요성 강화로 친환경 대체에너지 개발에 대한 필요성이 점차 증가하고 있다. 이러한 대체에너지 중 조류에너지는 지속적인 활용이 가능하며, 계절의 변화에 크게 의존하지 않아 전 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 조류발전은 천체의 운동에 따른 조류의 운동 에너지를 이용하여 발전하는 방식으로 지속적인 발전이 가능하며, 조류예보에 따라 적절하게 대응이 가능한 장점이 있다. 이들 중 쉬라우드를 수반한 조류발전 시스템에서는 쉬라우드 내 해수유동변화에 따라 로터의 기계적 출력이 크게 영향을 받게 되는 만큼 장치 구조 및 형상에 따른 로터 주변 유동장에 대한 분석이 필수적이다.

참고문헌 (11)

ANSYS Inc. (2018). FLUENT User's Guide.
Dassault System Inc. (2018). Solidworks User'Manual.
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Han, S.J., Lee, U.J., Park, D.I., Lee, S.H., Jeong, S.T. and Lee, S.S. (2019). Experimental performance analysis using a compact scale model for shroud tidal current power generation system. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 31(4), 221-228 (in Korean).

원문보기 상세보기
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Lee, U.J., Han, S.J., Jeong, S.T. and Lee, S.H. (2019). Analysis of flow velocity change in blade installed shroud system for tidal current generation. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 31(1), 9-16 (in Korean).

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Lee, U.J., Lee, S.H., Han, S.J., Jeong, S.T., Choi, H.J. and Ko, D.H. (2018). Numerical analysis for the optimum design of shroud tidal stream generation system. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 30(3), 134-141 (in Korean).

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Orszag, S.A., Yakhot, V., Flannery, W.S., Boysan, F., Choudhury, D., Maruzewski, J. and Patel, B. (1933). Renormalization group modeling and turbulence simulations. International Conference on Near-Wall Turbulent Flows. 1031-1046 (in Elsevier, Amsterdam).
Zhou, J.W., Wang, D.Z. and Li, Y.N. (2013). Optimization and Flow Analysis of Ducted Tidal Stream Turbine. Trans Tech Publications Ltd, 1, 694-697.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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