[논문]대형 풍력 블레이드의 CFD 해석에 관한 연구

신형기; 방형준; 김현구; 김석우; 배일성; 최준호

대형 풍력 블레이드의 CFD 해석에 관한 연구
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신형기 (한국에너지기술연구원) , 방형준 (한국에너지기술연구원) , 김현구 (한국에너지기술연구원) , 김석우 (한국에너지기술연구원) , 배일성 (씨디어댑코코리아) , 최준호 (씨디어댑코코리아)

본 연구에서는 BEMT와 gradient method를 이용하여 블레이드를 설계한 후 이에 대한 세밀한 유동장 해석을 위하여 CFD 기법을 적용하였다. CFD의 경우 해석시간의 문제로 설계단계에서의 적용에 어려움이 따른다. 따라서 설계 단계에서는BEMT를 적용하는 것이 적절하다. 그러나 BEMT의 경우 기법의 한계로 인하여 세밀한 유동의 해석에 어려움이 따른다. CFD의 경우 전체 유동장 및 블레이드 표면에서의 자세한 물성치 분석에 유리한 점을 가진다. 본 연구에서는 두가지 해석 기법의 장점을 살려 설계단계에서는 BEMT를 적용후 결과물인 블레이드 형상에 대하여 CFD 해석을 수행하여 유동장 해석을 하였다.

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문제 정의

풍력발전기의 개발에서 블레이드의 설계는 전체 성능 및 하중을 결정하는 가장 중요한 요소이다. 본 논문에서는 대형 풍력발전기에 대해 블레이드의 설계 및 해석을 수행하였다. 블레이드의 설계는 계산 시간의 문제로 BEMT를 이용하게 된다.

제안 방법

이때 생성하는 격자의 형태는 Trimmed mesh 형태이며 CAD의 형상의 단순화 없이 모든 형상을 격자로 구성할 수 있다. 격자를 완성한 후 해석 모델 셋팅 및 경계조건의 설정은 STARCCM+를 통해서 진행하며 해석 결과의 출력 또한 STARCCM+의 후처리 기능을 이용하여 처리한다. Blade의 거동을 모사하는 기법은 두 가지로 구분하여 STARCCM+에 적용한다.
그러나 BEMT의 경우 자세한 유동장의 해석이 불가능 하기 때문에 이에 대한 보완하기 위하여 설계된 블레이드에 대하여 CFD 해석을 수행하였다.
가변속, 피치제어 운전을 하는 블레이드에 대하여 코드 길이와 트위스트 분포는 교과서 적으로 정해지는 형상이 있지만 이는 최적 효율의 블레이드 설계를 위하여는 부족하다. 따라서 본 연구의 블레이드는 구배법을 기반으로 하여 블레이드의 각 단면별 코드 길이와 트위스트 각을 설계 변수로 하여 연간 에너지 생산량이 최대가 되도록 최적 설계를 하였다. 이를 통하여 설계된 블레이드의 코드와 트위스트 분포는 다음 그림과 같다.
마지막으로 source항을 분리하여 해석해 나간다. 본 연구과제에서는 지배방정식을 풀기 위해서 각 항에대해서 다음의 수치 도식(scheme)을 사용하였다.

대상 데이터

해석을 위하여 volume mesh는 trimmed mesh로 580만개의 mesh로 구성된다. 그림에서 보는 것과 같이 블레이드 주위와 주변에 대하여 서로 다른 mesh를 모으게 된다.

이론/모형

공간항인 대류항(Convective flux)과 확산항(Diffusive flux)의 해석을 위해서 상류도식(Upwind Scheme)을 사용하였다. 상류도식은 공간상의 상류에 위치한 유동이 하류에 지배적으로 영향을 미친다는 가정으로부터 개발된 도식으로, 다음 그림에서와 같이 Face j를 통해서 흘러가는 flux의 방향을 구하여 공간상의 상류쪽에 위치한 값을 하류에 위치한 격자에 넣어주는 도식이다.
기본적으로 Blade의 유동 특성은 복잡한 난류 거동을 보인다 이에 따라 LES model을 사용하였다.
본 연구에서는 BEMT와 gradient method를 이용하여 블레이드를 설계한 후 이에 대한 세밀한 유동장 해석을 위하여 CFD 기법을 적용하였다. CFD의 경우 해석시간의 문제로 설계단계에서의 적용에 어려움이 따른다.
시간항의 이산화를 위해서 Euler Implicit scheme을 사용하였다. Euler implicit shceme은 시간항을 계산하기 위해서 이전 시간(n-1) 에서의 결과와 주변 격자의 값들을 이용하여 계산해 나가는 도식이다.

후속연구

그러나 연구결과에서 볼 수 있는 것과 같이 자세한 유동장 해석에 유리하다 따라서 BEMT를 이용한 설계 후에 설계의 검증 및 세부 유동장 분석을 통한 형상 개선에 CFD를 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
본 해석의 경우 그림에서 볼 수 있는 것과 같이 어느 정도의 해석은 가능하나 뒤쪽으로 가면 소산되어 vorticity contour를 볼 수 없다. 차후에는 이에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

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