[논문]수평축 조류발전로터 성능실험의 수치적 재현과 연구

조철희; 임진영; 이강희; 채광수; 노유호; 송승호

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조철희 (인하대학교 선박해양공학과) , 임진영 (인하대학교(대학원) 선박해양공학과) , 이강희 (인하대학교(대학원) 선박해양공학과) , 채광수 (인하대학교(대학원) 선박해양공학과) , 노유호 (인하대학교(대학원) 선박해양공학과) , 송승호 (인하대학교(대학원) 선박해양공학과)

여러 해양에너지 중 유체의 빠른 흐름을 이용하는 조류발전은 서해안과 남해안에 적용하기에 적합하며 해양환경의 영향을 최소화 하면서 많은 에너지를 연속적으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 조류발전에서 1차적으로 에너지를 변환시키는 로터는 조류발전시스템의 주요한 장치중의 하나로 여러 변수에 의해 그 성능이 결정된다. 블래이드 수, 형상, 단면적, 허브, 직경 등 여러 요소를 고려하여 로터를 설계하며, 설계정보와 실험데이터를 바탕으로 수치모델을 구현하여 실험에서 직접 계측할 수 없는 로터 주변의 유체현상 및 간섭영향 등을 예측할 수 있다. 본 논문에서는 변화하는 유속에 따른 HAT 로터의 시동속도, 회전수를 측정하여 로터 형상과 허브-직경비가 다른 로터의 성능을 고찰하고, 이를 수치모델로 구현하여 로터주변 유동변화를 연구하였다.

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문제 정의

조류발전 시스템은 수직축(VAT type)과 수평축(HAT type)으로 구분될 수 있다. 본 논문에서는 수평축 조류발전 로터의 d/D ratio와 블래이드 수에 따른 rpm 변화 및 간섭에 미치는 영향을 고찰하고, RPM data를 바탕으로 수치모델을 구현하여 로터주변의 유동에 관하여 연구하였다.
본 논문에서는 정적해석과 동적해석을 병행하여 수행하였다. 정적해석은 해석영역내의 유동이 일정한 상태로 수렴한 상태를 해석한 경우이며, 동적해석은 입사유체에 의해 회전하는 상황을 해석하였다.

제안 방법

수치모델을 통한 간섭해석은 수리모형을 이용한 실험에 비해 짧은 시간에 저비용으로 재현할 수 있는 장점이 있다. 실험으로 직접 계측하기 힘든 stream line, 속도분포, 압력분포 등의 정보를 제공한다.
로터의 성능변화를 관찰하기 위해 다른 형상을 갖는 3개의 로터를 설계하였다. 블래이드 수와 허브-직경비를 변화시켰으며 단면은 airfoil형태이다.
블래이드 수와 허브-직경비를 변화시켰으며 단면은 airfoil형태이다. 상호 비교를 위해 동일한 로터를 기준으로 블래이드 수가 다른 로터와, 허브-직경비가 다른 로터로 구성했다. Fig.
2는 CWC에 설치된 실험 장비로써 밸러스트 격벽에 물을 채워 침강되고, 펌프를 이용해 부상하도록 고안되었다. 각 로터의 초기회전 유속과 유속별 RPM을 측정하여 로터성능을 관찰하였다.
본 논문에서는 정적해석과 동적해석을 병행하여 수행하였다. 정적해석은 해석영역내의 유동이 일정한 상태로 수렴한 상태를 해석한 경우이며, 동적해석은 입사유체에 의해 회전하는 상황을 해석하였다. CWC의 세부사항에 맞추어 수치해석 모델의 기초사양과 해석영역을 설정하였다.
정적해석은 해석영역내의 유동이 일정한 상태로 수렴한 상태를 해석한 경우이며, 동적해석은 입사유체에 의해 회전하는 상황을 해석하였다. CWC의 세부사항에 맞추어 수치해석 모델의 기초사양과 해석영역을 설정하였다. 상용코드인 SC/Tetra v7을 사용하여 CFD해석을 수행하였으며, MP k-EPS 난류모델을 사용하여 해석영역(L=2.
4와 같이 해석시간의 단축을 위해 유동이 상대적으로 복잡하지 않은 수조영역은 큰 octree를 만들고, 로터가 배치된 영역은 조밀한 octree를 만들어 격자를 생성한다. 로터는 로터헤드와 날개 바깥부분 octree 점도를 높여 격자를 생성하고특히 유동이 빠른 로터 팁은 가장 세밀한 격자를 생성하여 해석하였다.
본 연구에서는 여러 다른 형상의 로터의 유속별 수리실험과 실험에서 측정한 RPM 데이터를 바탕으로 수치모델을 구현하여 로터주변의 유동을 분석하였다.

데이터처리

CWC의 세부사항에 맞추어 수치해석 모델의 기초사양과 해석영역을 설정하였다. 상용코드인 SC/Tetra v7을 사용하여 CFD해석을 수행하였으며, MP k-EPS 난류모델을 사용하여 해석영역(L=2.3m, B=1.0m, H=0.9m)에 대한 해석을 하였다. 수치모델은 octree 기법을 적용하여 격자생성을 하였으며, 동적해석은 moving mesh method와 discontinue mesh method를 사용하여 로터의 회전에 따른 간섭해석을 수행하였다.

이론/모형

9m)에 대한 해석을 하였다. 수치모델은 octree 기법을 적용하여 격자생성을 하였으며, 동적해석은 moving mesh method와 discontinue mesh method를 사용하여 로터의 회전에 따른 간섭해석을 수행하였다. CFD 해석조건의 세부사항은 Table 3과 같다.
동일한 격자의 해석모델을 여러 곳에 배치시킬 수 있으므로 효율적인 격자 생성이 가능하다. Discontinue mesh method를 이용하여, 따로 생성한 격자영역이 merge될 때 발생하는 격자 균열문제를 해소했다.
이동격자법을 이용해 회전체 해석을 수행하였다. 로터영역을 감싸는 실린더 형태의 rotate volume을 설정하고 이 영역을 회전시키는 방법이다.

성능/효과

3에 로터의 유속별 RPM을 나타냈다. 유속이 높을수록 로터간의 RPM 격차가 증가 했으며 P-1D2B-2가 같은 유속에서 가장 좋은 성능을 보였다. 이는 같은 블래이드 수를 가진 로터에서 허브-직경비를 증가시켰을 때 효율이 향상됨을 의미한다.

후속연구

조류에너지의 1차 변환장치인 로터는 시스템의 전체효율 좌우하는 중요한 요소이며 시간별 유속분포, 수심, 유향 등 해양환경에 최적화 된 로터를 설계해야 한다. 또한, 조류발전 상용화에 따른 단지화시 설계된 로터의 성능에 대해 간섭효과가 고려된 다양한 연구가 추가적으로 필요하다. 이를 위해 CFD 해석방법으로 실험에서 직접 계측할 수 없는 로터 주변의 유속분포, 속도벡터 및 압력분포 등을 계산하여 얻을 수 있으며, 발전유닛의 배치와 간격을 결정하는데 활용할 수 있다.
또한, 조류발전 상용화에 따른 단지화시 설계된 로터의 성능에 대해 간섭효과가 고려된 다양한 연구가 추가적으로 필요하다. 이를 위해 CFD 해석방법으로 실험에서 직접 계측할 수 없는 로터 주변의 유속분포, 속도벡터 및 압력분포 등을 계산하여 얻을 수 있으며, 발전유닛의 배치와 간격을 결정하는데 활용할 수 있다.

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