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제안 방법
- 3). 격자시험을 통하여 계산비용과 해석정확도를 고려하여RANS 영역과 LES 영역에 대하여 각각 2,122,930 tetrahedron cell과 5,028,110 tetrahedron cell을 사용하였으며, 날개 표면 경계층에서의 정확한 격자 해상도를 얻기 위하여 벽면에 수직한 방향으로의 격자 확장비율은 7%로 하였다. 이는 소음해석 관심 대상인 날개 뒷전에서 2.
- 계산격자는 톱니 뒷전 형상을 용이하게 모사하기 위하여 비정렬 격자를 사용하였으며, 스팬 방향으로 일정한 격자 해상도를 유지하였고 날개의 앞전과 뒷전의 격자를 조밀하게 생성하였다(Fig. 3). 격자시험을 통하여 계산비용과 해석정확도를 고려하여RANS 영역과 LES 영역에 대하여 각각 2,122,930 tetrahedron cell과 5,028,110 tetrahedron cell을 사용하였으며, 날개 표면 경계층에서의 정확한 격자 해상도를 얻기 위하여 벽면에 수직한 방향으로의 격자 확장비율은 7%로 하였다.
- 기본형 로터와 톱니형 로터에 대하여 IEC 61400-11 규정에 의거하여 표준 소음 측정지점인 로터 후류 방향으로 R+ H(R: 로터 반경, H: 타워 높이)만큼 떨어진 거리에서 B&K 2250 Sound level meter를이용하여 소음을 측정하였다(Fig. 8).
- 본 경우에서 있어서 경계면 문제를 단순화하여 LES 에서RANS 으로의 역결합(back coupling)을 제한하여 문제를 해결하였다. 따라서, 본 혼합영역 RANS-LES 비정상 전산유체역학 모사를 통하여 익형 끝단 소음을 예측하고, 톱니 뒷전을 가진 날개의 광대역 소음 예측 기법을 개발하였다. RANS 와 LES 기법 간 난류 모사 기법 사이의 불연속성을 해결하기 위하여 기존의 중첩격자기법(overlapping method), 합성 입구 경계조건(synthetic inlet boundary condition)이나 재생기법(recycling method)의 문제점을 보완하여 와류 기법(vortex method)를 이용하여 RANS-LES 경계면에서 난류 변동을 생성하는 기법을 사용하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 이를 극복하기 위하여 RANS 접근법과 LES 접근법을 혼합하여 주요 유동장은 계산비용에서 효율이 높은RANS 모사를 수행하고 날개 주위 유동장은 LES 기법으로 전환하여 동시에 비정상 난류 매개변수를 계산하여 높은 정확도의 결과를 얻었다. 본 경우에서 있어서 경계면 문제를 단순화하여 LES 에서RANS 으로의 역결합(back coupling)을 제한하여 문제를 해결하였다. 따라서, 본 혼합영역 RANS-LES 비정상 전산유체역학 모사를 통하여 익형 끝단 소음을 예측하고, 톱니 뒷전을 가진 날개의 광대역 소음 예측 기법을 개발하였다.
- 25m/s이다. 유효 코드(effective chord)는 톱니길이(serration length)의 50%까지로 하여 공력특성을 계산하였다(Fig. 1). 톱니 형상은 톱니 진폭(serration amplitude) h와 톱니 파장(serration wavelength) λ 에 대하여 λ /h=1인 경우와 λ /h=2인 경우에 대하여 격자를 생성하였다.
- RANS 와 LES 기법 간 난류 모사 기법 사이의 불연속성을 해결하기 위하여 기존의 중첩격자기법(overlapping method), 합성 입구 경계조건(synthetic inlet boundary condition)이나 재생기법(recycling method)의 문제점을 보완하여 와류 기법(vortex method)를 이용하여 RANS-LES 경계면에서 난류 변동을 생성하는 기법을 사용하였다. 이 기법을 FLUENT 를 이용하여 RANS 영역 내에 포함된 LES 하부 영역 계산을 통해 원방 소음을 예측하였다.
- 톱니형 뒷전을 적용한 로터의 소음 저감 효과를 검증하기 위하여 유전 알고리즘을 이용한 최적설계를 통하여 10kW급 저소음 풍력발전기 블레이드를 설계하였고, 톱니형 뒷전을 부착한 톱니형 뒷전 블레이드를 제작하였다. 블레이드 몰드와 FRP 제작을 통하여 완성된 로터를 본 연구실과 MOU를 체결한 사업체의 소형 풍력발전기 실증 단지에 설치하였다.
- 회전 블레이드 소음 중 날개 뒷전의 공력음향학적 산란에 의하여 발생하는 난류 경계층 끝단 소음을 저감시키기 위하여 톱니형 뒷전 날개의 소음 예측 및 검증을 수행하였다. Hybrid-zonal RANS-LES 기법을 이용하여 기본형 날개와 톱니형 날개의 격자를 생성하고 이에 대한 공력 및 소음 시뮬레이션을 수행하였으며 톱니형 날개가 1kHz 이하 주파수 영역에서 소음저감효과를 나타내었다.
대상 데이터
- 날개 모델은 서울대학교의 풍력발전기 광대역소음 저감 연구에서 사용된 기본 익형(7)으로 블레이드의 루트부에서 스팬방향으로 75% 지점에 사용되며 코드 길이는 300mm이고, 톱니 익형은 코드 길이의 10%에 해당하는 부분을 톱니 끝단(serrated edge)을 적용한 모델을 사용하였다. 자유 흐름 유속은 51.
이론/모형
- Embedded LES 접근법을 위하여 Wale subgrid scale 모델(10)에 기반한 난류 모델링을 사용하였으며, Bounded central differencing으로 계산하였다. Time step size는 공력학적 시간 해상도를 만족하도록 했으며 본 계산에서는 9.
- 회전 블레이드 소음 중 날개 뒷전의 공력음향학적 산란에 의하여 발생하는 난류 경계층 끝단 소음을 저감시키기 위하여 톱니형 뒷전 날개의 소음 예측 및 검증을 수행하였다. Hybrid-zonal RANS-LES 기법을 이용하여 기본형 날개와 톱니형 날개의 격자를 생성하고 이에 대한 공력 및 소음 시뮬레이션을 수행하였으며 톱니형 날개가 1kHz 이하 주파수 영역에서 소음저감효과를 나타내었다. LES 기법의 한계로 고주파 소음의 변화 특성을 예측하기 어렵기 때문에 실제 톱니형 뒷전을 적용한 풍력발전기 로터의 제작 및 현장 소음 측정시험을 수행하였으며 600Hz와 2kHz 영역에서 Quasi-tone 소음 특성이 크게 감소하였으며 고주파 소음은 난류 소용돌이로 인한 소음 특성 변화로 음압 레벨이 증가하였다.
- Pressure-velocity coupling을 위하여 Simple scheme을 사용하였으며 공간차분화 오차를 최소화하기 위하여 Least squares cell based 기법을 적용했다. 운동량 방정식의 압력은 Standard scheme을, 운동량과 난류 운동에너지 및 소산율 계산은 Second order upwind 기법을 적용하였다.
- 따라서, 본 혼합영역 RANS-LES 비정상 전산유체역학 모사를 통하여 익형 끝단 소음을 예측하고, 톱니 뒷전을 가진 날개의 광대역 소음 예측 기법을 개발하였다. RANS 와 LES 기법 간 난류 모사 기법 사이의 불연속성을 해결하기 위하여 기존의 중첩격자기법(overlapping method), 합성 입구 경계조건(synthetic inlet boundary condition)이나 재생기법(recycling method)의 문제점을 보완하여 와류 기법(vortex method)를 이용하여 RANS-LES 경계면에서 난류 변동을 생성하는 기법을 사용하였다. 이 기법을 FLUENT 를 이용하여 RANS 영역 내에 포함된 LES 하부 영역 계산을 통해 원방 소음을 예측하였다.
- 기존의 RANS-LES 혼합 기법 연구(6)에서는 결합 모사(coupled simulation) 방법을 사용하였다. 이는 물체 주위 유동장은 RANS 로 계산하고 원방은LES 로 계산하는 방법이다.
- 사용된 난류 모델은 두 가지이며 초기해를 위한 정상계산에서는 일반적인 익형에 대하여 정확한 해를 얻을 수 있는 Menter(1994) (8)에 의하여 제안된 Shear-stress transport k-w 모델을 사용하였으며,비정상 계산에서는 Walters(2008) (9)가 제안한 Three-equation eddy-viscosity 형태인 k-kl-wtransition 모델을 사용하여 해석하였다.
- 운동량 방정식의 압력은 Standard scheme을, 운동량과 난류 운동에너지 및 소산율 계산은 Second order upwind 기법을 적용하였다. 시간차분화는 Bounded second order implicit 기법으로 구현하였다.
- Pressure-velocity coupling을 위하여 Simple scheme을 사용하였으며 공간차분화 오차를 최소화하기 위하여 Least squares cell based 기법을 적용했다. 운동량 방정식의 압력은 Standard scheme을, 운동량과 난류 운동에너지 및 소산율 계산은 Second order upwind 기법을 적용하였다. 시간차분화는 Bounded second order implicit 기법으로 구현하였다.
- 원방 소음은 Ffowcs Williams-Hawkings 방정식(1)에 기초하였으며 날개의 표면을 적분면으로 하고 음향상사법을 적용하여 계산하였다. 수음자 위치는 날개 뒷전에서 코드와 수직한 방향으로 2c 거리이며, 해당 위치에서 음압 신호를 Rectangular-windows를 이용하여 256 포인트의 FFT를 수행하여 소음 스펙트럼을 얻었다.
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