본 논문에서는 상용코드인 ANSYS CFX를 통한 해양레저 스포츠 및 야외 활동 시 사용 가능한 휴대용 수평축 수차의 유입유속(U) 및 주속비(TSR, Tip Speed Ratio) 변화에 따른 성능해석을 수행하였으며, 해석결과 및 유동장 분석을 통해 설계에 대한 검토 및 장치의 성능을 확인하였다. 또한, 추가적으로 블레이드의 피치각도(αpitch) 변화에 따른 성능해석을 통해 수차의 성능개선에 필요한 데이터를 획득하고자 하였다. 본 논문의 연구 결과 수치해석 케이스 중 주속비 4인 경우, 모든 유입속도 및 블레이드 피치 각도에서 가장 높은 성능을 보였으며, 설계 유속 이하의 일부 조건에서도 설계 출력인 30 W 이상의 출력을 보였다. 그리고 수치해석 케이스 중 가장 높은 출력과 출력계수는 유입유속 1.5 m/s, 블레이드 피치 각도 3°, 주속비 4에서 보였으며, 출력 약 85 W, 출력계수 약 0.30이었다.
본 논문에서는 상용코드인 ANSYS CFX를 통한 해양레저 스포츠 및 야외 활동 시 사용 가능한 휴대용 수평축 수차의 유입유속(U) 및 주속비(TSR, Tip Speed Ratio) 변화에 따른 성능해석을 수행하였으며, 해석결과 및 유동장 분석을 통해 설계에 대한 검토 및 장치의 성능을 확인하였다. 또한, 추가적으로 블레이드의 피치각도(αpitch) 변화에 따른 성능해석을 통해 수차의 성능개선에 필요한 데이터를 획득하고자 하였다. 본 논문의 연구 결과 수치해석 케이스 중 주속비 4인 경우, 모든 유입속도 및 블레이드 피치 각도에서 가장 높은 성능을 보였으며, 설계 유속 이하의 일부 조건에서도 설계 출력인 30 W 이상의 출력을 보였다. 그리고 수치해석 케이스 중 가장 높은 출력과 출력계수는 유입유속 1.5 m/s, 블레이드 피치 각도 3°, 주속비 4에서 보였으며, 출력 약 85 W, 출력계수 약 0.30이었다.
A performance analysis was conducted according to changes in inflow velocity and the tip speed ratio of a portable horizontal-axis hydro turbine that can be used for marine leisure sports and outdoor activities by using the commercial computational fluid dynamics software ANSYS CFX. By using the ana...
A performance analysis was conducted according to changes in inflow velocity and the tip speed ratio of a portable horizontal-axis hydro turbine that can be used for marine leisure sports and outdoor activities by using the commercial computational fluid dynamics software ANSYS CFX. By using the analysis result and flow field analysis, the design was reviewed and the performance of the device was confirmed. In addition, data necessary to improve the performance of the hydro turbine were acquired by performing an additional performance analysis according to the variable blade pitch angle. The results among the numerical analysis cases show that the highest performance at all inflow velocities and blade pitch angles if achieved at a tip speed ratio of 4. The output power was found to be 30 W even under some conditions below the design flow rate. Among the numerical analysis cases, the highest output power (~ 85 W) and power coefficient (~ 0.30) were observed at an inlet flow rate of 1.5 m/s, a blade pitch angle of 3°, and a tip speed ratio of 4.
A performance analysis was conducted according to changes in inflow velocity and the tip speed ratio of a portable horizontal-axis hydro turbine that can be used for marine leisure sports and outdoor activities by using the commercial computational fluid dynamics software ANSYS CFX. By using the analysis result and flow field analysis, the design was reviewed and the performance of the device was confirmed. In addition, data necessary to improve the performance of the hydro turbine were acquired by performing an additional performance analysis according to the variable blade pitch angle. The results among the numerical analysis cases show that the highest performance at all inflow velocities and blade pitch angles if achieved at a tip speed ratio of 4. The output power was found to be 30 W even under some conditions below the design flow rate. Among the numerical analysis cases, the highest output power (~ 85 W) and power coefficient (~ 0.30) were observed at an inlet flow rate of 1.5 m/s, a blade pitch angle of 3°, and a tip speed ratio of 4.
이에 본 논문에서는 선행연구를 통해 개발한 수차를 대상으로 설계검토 및 성능확인을 위해 CFD를 통한 유입유속(U) 및 주속비(TSR, Tip Speed Ratio) 변화에 따른 성능해석을 수행하고자 한다. 또한, 블레이드의 피치 각(αpitch) 변화에 따른 성능해석을 통해 초소형 사이즈로 인해 별도의 제어장치를 설치가 어려운 휴대용 수평축 수차의 발전 가능 유속 범위 증가 및 성능개선에 필요한 데이터를 획득하고자 한다(Park et al., 2014).
이에 본 논문에서는 선행연구를 통해 개발한 수차를 대상으로 설계검토 및 성능확인을 위해 CFD를 통한 유입유속(U) 및 주속비(TSR, Tip Speed Ratio) 변화에 따른 성능해석을 수행하고자 한다. 또한, 블레이드의 피치 각(αpitch) 변화에 따른 성능해석을 통해 초소형 사이즈로 인해 별도의 제어장치를 설치가 어려운 휴대용 수평축 수차의 발전 가능 유속 범위 증가 및 성능개선에 필요한 데이터를 획득하고자 한다(Park et al.
제안 방법
Table 3과 같이 유입유속, 블레이드의 피치각도 및 주속비 변화에 따라 수치해석을 수행할 케이스를 정의하였다. 계산은 설계 블레이드의 피치각도인 0°일 때, 유입유속 및 주속비 변화에 따른 성능해석을 우선적으로 수행하여 장치의 설계검토 및 성능을 확인하고자 하였다. 그리고 수차의 성능 개선에 필요한 데이터를 획득하고자 Fig.
외부 유동장은 Hexahedral mesh로 격자를 생성하였으며, 가이드 베인과 러너 블레이드에는 Tetra-prism mesh로 생성하였다. 그리고 성능해석에 가장 중요한 부분인 러너부에는 원활한 수렴성 및 신뢰성을 갖추기 위해, Yplus, 경계층 격자 밀집도, 격자 형태, 종횡비 등을 신중히 고려하여 격자를 생성하였다(Kim, 2005). Fig.
대상 데이터
Fig. 2에서는 수치해석을 위해 휴대용 수평축 수차의 형상을 단순화하고, 가이드 베인(3매)과 러너 블레이드(1매) 일부만을 대상으로 해석영역을 모델링하였다. 그리고 계산의 수렴도와 외부 영역으로 인해 발생할 수 있는 계산적 오류를 고려하여 러너 블레이드의 반경을 기준으로 유입부에 반경 길이의 4배, 유출부에 7배 그리고 상부영역에 3.
그리고 성능해석에 가장 중요한 부분인 러너부에는 원활한 수렴성 및 신뢰성을 갖추기 위해, Yplus, 경계층 격자 밀집도, 격자 형태, 종횡비 등을 신중히 고려하여 격자를 생성하였다(Kim, 2005). Fig. 4에서 보이는 바와 같이 Yplus 5.1 이하의 보다 조밀한 격자를 생성하였으며, 휴대용 수평축 수차의 성능해석을 위하여 총 약 7,590,000 노드의 격자를 생성하였다.
이론/모형
수치해석을 위해 상용코드인 ANSYS CFX를 사용하였으며, Table 2와 같이 단일 유체(물)만을 고려한 단상 정상상태 계산을 수행하였다. 난류모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델(Wilcox, 2002)을 적용하였으며, 계산을 위한 경계조건으로서 입구에는 유속조건을 출구에는 대기압에 해당하는 압력 조건을 부여하였다. Table 2의 경계조건을 ANSYS CFX-Pre를 통해 구현한 모습을 Fig.
5에서 보인다. 휴대용 수평축 수차의 가이드 베인과 러너 블레이드 일부분만을 고려한 계산이므로 전체 도메인의 양면을 회전주기성(Rotational periodicity) 경계조건을 적용하였으며, 회전체인 러너부와 맞닿아 있는 면들과의 경계면 처리를 위하여 Frozen rotor 모델을 사용하였다(Gerolymos et al., 2002; ANSYS, Inc., 2018b).
성능/효과
1) 수치해석 케이스 중 TSR = 4인 경우, 가장 높은 성능을 보였으며, 설계 유속 이하의 일부 조건에서도 설계 출력인 30 W 이상의 출력을 보였다.
2) 수치해석 케이스 중 가장 높은 출력과 출력계수는 U =1.5 m/s, αpitch = 3°, TSR = 4에서 보였으며, 출력 약 85 W, 출력계수 약 0.30이였다.
3) 유동장 분석을 통해 러너 블레이드 압력면에서 발생하는 저압부는 비틀림 각을 변경하여 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
9의 성능곡선과 비교하였을 때, αpitch가 증가하여 블레이드에 작용하는 힘이 일정 이상보다 계속 증가하더라도 수차의 출력 및 출력계수는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 그리고 압력면에서 보이는 저압부는 Fig. 11에서 나타낸 유선분포에서 확인할 수 있듯이 러너 블레이드의 비틀림 각에 의해 발생한 것으로 보이며, 차후 이를 변경하여 유동장을 개선할 수 있을 것으로 판단된다.
추후 휴대용 수평축 수차의 성능시험을 통해 수치해석에 대한 결과 검증을 진행하고, 장치의 구조적 안정성에 대한 분석 및 최적화를 통해 보다 성능을 향상시켜야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
재생에너지원을 활용한 다양한 연구개발이 진행되고 있는 배경은?
정부의 재생에너지 3020 이행계획(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017) 발표에 따라 태양광, 풍력, 소수력 등 재생에너지원을 활용한 다양한 연구개발이 진행되고 있다. 그 중 소수력발전은 지형이나 기후 등 자연적인 조건과 조화를 이루며, 타 에너지원에 비해 지속적으로 발전공급이 가능한 반영구적인 에너지 자원으로 에너지안보 측면에서 우수한 에너지원이다.
소수력발전의 신규 적용 분야로서 가능성 있는 분야는?
소수력 발전의 신규 적용 분야로서 가능성 있는 분야는 해양레포츠이다. 해양레포츠 분야는 국민의 소득증가에 따라 여가활용, 삶의 질 상승 등으로 체험인구가 2013년 723,000명에서 2017년 950,000명으로 약 31.
소수력발전의 특징은?
정부의 재생에너지 3020 이행계획(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2017) 발표에 따라 태양광, 풍력, 소수력 등 재생에너지원을 활용한 다양한 연구개발이 진행되고 있다. 그 중 소수력발전은 지형이나 기후 등 자연적인 조건과 조화를 이루며, 타 에너지원에 비해 지속적으로 발전공급이 가능한 반영구적인 에너지 자원으로 에너지안보 측면에서 우수한 에너지원이다. 그러나 현재 수력분야의 연구개발 및 보급대상은 주로 발전설비용량 10 MW를 초과하는 대수력으로 확대되고 있다.
참고문헌 (11)
ANSYS Inc.(2018a), ANSYS Meshing User's Guide.
ANSYS Inc.(2018b), ANSYS CFX Reference Guide.
Gerolymos, G. A., G. J. Michon, and J. Neubauer(2002), Analysis and Application of Chorochronic Periodicity in Turbomachinery Rotor/Stator Interaction Computations, Journal of Propulsion and Power, Vol. 18, No. 6, pp. 1139-1152.
Kim, B. K.(2005), A Study on the Optimum Blade Design and the Aerodynamic Performance Analysis for the Horizontal Axis Wind Turbines, Korea National Maritime University, Department of Mechanical Engineering, Ph.D Thesis.
Ministry of Trade, Industry and Energy(2017), Renewable Energy 3020 Implementation Plan.
Ministry of Trade, Industry and Energy(2018), New & Renewable Energy White Paper.
Nam, S. H., Y. T. Kim, Y. D. Choi, Y. H. Lee, and Y. C. Hwang(2007), Basic Cavitation Analysis of a Micro Tubular Turbine by CFD, The Korean Society for New and Renewable Energy, pp. 408-411.
Natural Landscape Division Nature and Ecology Research Department(2008), Research on Coastal Landscape and the Conservational Strategy(II).
Park, H. C., Q. T. Truong, L. Q. Phan, J. H. Ko, and K. S Lee(2014), Geometry Design of a Pitch Controlling Type Horizontal Axis Turbine and Comparison of Power Coefficients, Journal of the Korean Society for Marine Environment and Energy, Vol. 17, No. 3, pp. 167-173.
Park, J. M. and S. M. Lee(2018), Greening Methods on the Back of Coastal Waterproof wall using Halophytes, The Journal of the Korean Society for Fisheries and Marine Sciences Education, Vol. 30, No. 1, pp. 342-353.
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