[논문]EDISON CFD를 이용한 100 kW 수평축 조류발전 터빈 주위 유동 해석

오승진; 남권우

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EDISON SW 활용 경진대회 논문집. 제6회(2016년), 2016 Nov. 11, 2016년, pp.15 - 18

오승진 (서울대학교 조선해양공학과) , 남권우 (서울대학교 조선해양공학과)

초록
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본 연구는 조류발전 터빈의 블레이드 형상 최적화 해석 시스템 개발에 대한 사전연구의 일환으로 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 S/W와 SNUFOAM ShipMesh Advanced 자동격자생성기를 이용하여 조류발전 터빈 주위 유동장에 대한 수치해석을 수행하였다. TSR 조건 변화에 따라 수치해석을 수행하고 이에 대한 power, total coefficient를 동일한 조건에서 수행된 실험결과와 비교 검증하여 해석자의 신뢰도를 확인하였다. 또한, 블레이드 전체를 모델링한 full body 해석과 하나의 블레이드만을 모델링한 single body 해석 결과를 비교하여 경제적이면서 정도 높은 터빈 성능해석 프로세스를 제안하였다. 조류발전 터빈의 TSR 조건 변화에 따라 낮은 TSR 조건에서는 국부적 와동발생에 의해 $C_P$가 감소하는 것을 확인하였고 설계 TSR에서 가장 좋은 효율을 보임을 확인하였다. 이를 통해 suction side의 압력 분포, 팁 와동의 강도 등 성능개선을 위한 주요한 설계변수를 식별하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

또한 격자는 Table 2와 같이 full body와 single body에 대해 각각 생성하였으며 single body에 대해서는 grid dependency 수행을 통해 수치해석 결과의 타당성을 확인하고자 하였다.
본 연구는 터빈형상 최적화를 위한 기초 연구로서 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 해석 S/W와 SNUFOAM ShipMesh Advanced 자동격자생성기를 이용하여 조류발전 터빈의 성능해석을 수행하였다. 형상파일 분할을 통해 날카로운 trailing edge영역의 mesh 개선 방안을 제안하였다.
수치해석결과는 동일조건에서 수행된 Park, 2014 [4]의 실험결과 비교하여 그 타당성을 검증하고자 하였다. 또한, single blade에 periodic 경계조건을 적용한 해석결과와 full body 해석 결과를 비교하여 적용된 경계조건의 타당성을 검증하였다.

제안 방법

Fig. 4와 같이 터빈의 날카로운 trailing edge 부분을 구현하기 위해 각각의 터빈 surface를 분할하고 split –rename – merge 과정을 거쳐 surface feature를 개선하였다.
Re 수 변화에 따른 영향을 최소화하기 위해 블레이드 반경 70% 지점에 대한 코드 길이를 특성 길이로 하는 Re 수를 비슷한 수준에서 유지하게끔 실험케이스를 선정하였으며 터빈의 회전속도 n은 25 rad/s로 고정하고 유체의 속도 VA 를변화시켜가며 TSR 조건을 변하도록 하였다.
격자 생성 툴은 EDISON CFD의 SNUFOAM ShipMesh Advanced 자동격자생성기를 사용하여 육면체 기반의 격자를 생성하였다. Fig.
수치해석결과는 동일조건에서 수행된 Park, 2014 [4]의 실험결과 비교하여 그 타당성을 검증하고자 하였다. 또한, single blade에 periodic 경계조건을 적용한 해석결과와 full body 해석 결과를 비교하여 적용된 경계조건의 타당성을 검증하였다.
TSR 변화에 따라 수치해석을 수행하고 이를 실험결과와 비교 검증하여 합리적인 결과를 도출하였다. 또한, 블레이드 전체를 모델링한 full body해석과 하나의 블레이드만을 모델링한 single body해석 결과를 비교하여 보다 경제적이면서 신뢰도 높은 해석프로세스를 제안하였다. 조류발전 터빈의 TSR 조건 변화에 따라 CFD해석결과가 실험결과의 경향과 잘 일치하는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 Table 1과 같이 식 (1)과 같이 TSR (tip speed ratio) 조건을 변화시켜가며 유동 조건을 적용하였다. 이때 사용된 변수들 중 ω는 turbine speed ratio (rad/s), ω은 turbine radius (m), ν는 flow velocity (m/s)를 의미한다.
본 연구에서는 경제적인 터빈성능해석을 위해 MRF (moving reference frame)기법을 적용한 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 해석 S/W를 해석자로 선정하였다. 해석자의 지배방정식은 식 (2)~(3)과 같다.
본 연구에서는 조류발전 터빈의 블레이드 형상 최적화 연구의 일환으로 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 해석 S/W를 이용하여 조류발전 터빈 주위 유동장을 해석하고, 이를 실험적 연구와 비교 검증하였다. 표면압력 및 주위 유동장 성분을 설계 변수로 제공하여 조류발전 터빈의 블레이드 형상 최적화 프로그램과의 연계를 고려하도록 하였다.
inlet에는 Dirichlet 경계조건, outlet에는 Neumann 경계조건을 적용하였다. 블레이드 주변에서는 비정합경계면을 이용한 interface 경계조건을 적용하였고 블레이드 표면에는 no-slip 경계조건을 적용하였으며 innerWall과 outerWall에는 각각 slip 조건을 적용하였다.
또한, 각 계산 결과의 차이는 2% 이내로 해석 결과의 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이 결과를 토대로 최종 해석은 medium grid를 기준으로 수행하였다
3과 같다. 전체 3개의 블레이드 중 1개의 블레이드만 사용했으므로 120도의 중심각을 가지는 부채꼴 모양 계산영역을 만들고 이에 cyclic interface를 적용하여 반복되는 계산영역을 생략하였다. 다른 경계면에서의 경계조건은 full body와 동일하다.
본 연구에서는 조류발전 터빈의 블레이드 형상 최적화 연구의 일환으로 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 해석 S/W를 이용하여 조류발전 터빈 주위 유동장을 해석하고, 이를 실험적 연구와 비교 검증하였다. 표면압력 및 주위 유동장 성분을 설계 변수로 제공하여 조류발전 터빈의 블레이드 형상 최적화 프로그램과의 연계를 고려하도록 하였다.
본 연구는 터빈형상 최적화를 위한 기초 연구로서 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 해석 S/W와 SNUFOAM ShipMesh Advanced 자동격자생성기를 이용하여 조류발전 터빈의 성능해석을 수행하였다. 형상파일 분할을 통해 날카로운 trailing edge영역의 mesh 개선 방안을 제안하였다. TSR 변화에 따라 수치해석을 수행하고 이를 실험결과와 비교 검증하여 합리적인 결과를 도출하였다.

대상 데이터

해석대상은 Fig. 1과 같이 Lee, 2011 [2]에서 사용되었던 모델과 동일한 100 kW급 조류발전 터빈으로 블레이드의 단면 형상은 NACA63418으로 구성되어 있으며 모형터빈의 직경은 0.4 m이다. 이는 실 모델 대비 1:20의 축척비를 가진다.

데이터처리

형상파일 분할을 통해 날카로운 trailing edge영역의 mesh 개선 방안을 제안하였다. TSR 변화에 따라 수치해석을 수행하고 이를 실험결과와 비교 검증하여 합리적인 결과를 도출하였다. 또한, 블레이드 전체를 모델링한 full body해석과 하나의 블레이드만을 모델링한 single body해석 결과를 비교하여 보다 경제적이면서 신뢰도 높은 해석프로세스를 제안하였다.

이론/모형

2와 같다. inlet에는 Dirichlet 경계조건, outlet에는 Neumann 경계조건을 적용하였다. 블레이드 주변에서는 비정합경계면을 이용한 interface 경계조건을 적용하였고 블레이드 표면에는 no-slip 경계조건을 적용하였으며 innerWall과 outerWall에는 각각 slip 조건을 적용하였다.
사용된 수치기법으로는 시간차분은 정상상태, 공간차분에는 2nd order scheme을 사용하였고, 압력-속도 연성에는 PIMPLE algorithm, 난류 모델에는 k - ω SST모델을 사용하였다.

성능/효과

조류발전 터빈의 TSR 조건 변화에 따라 CFD해석결과가 실험결과의 경향과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 낮은 TSR 조건에서는 국부적 와동발생에 의해 C_P가 감소하는 것을 확인하였고 설계 TSR에서 가장 좋은 효율을 보임을 확인하였다. suction side의 압력분포, 팁 와동의 강도가 성능개선을 위한 주요한 설계변수로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.
3 조건이 설계영역 밖이어서 큰 받음각과 국부적 유동 박리가 발생하게 되며 이와 같은 물리적 현상이 C_P의 감소를 발생시키는 것으로 예상된다. 또한 full body와 single body 해석 결과를 각각 비교해 보았을 때 해석 결과의 차이는 큰 차이를 보이지 않았으며 오차율의 절대 값은 TSR=3.3 조건에서 최대 8%까지 상승하였다.
세 가지 해석 결과 모두 토크계수에 대해 실험값 대비 8% 이내의 오차를 보여 합리적인 결과를 도출하였음을 알 수 있었다. 또한, 각 계산 결과의 차이는 2% 이내로 해석 결과의 큰 차이가 없음을 확인하였다. 이 결과를 토대로 최종 해석은 medium grid를 기준으로 수행하였다
TSR=3 조건에서 세 가지 격자에 대해 해석을 수행하였다. 세 가지 해석 결과 모두 토크계수에 대해 실험값 대비 8% 이내의 오차를 보여 합리적인 결과를 도출하였음을 알 수 있었다. 또한, 각 계산 결과의 차이는 2% 이내로 해석 결과의 큰 차이가 없음을 확인하였다.
5에서 가장 낮은 suction side 압력분포를 보인다. 이를 통해 suction side의 압력분포가 주요한 설계변수로 사용할 수 있음을 확인하였다
이를 통해 복잡한 터빈형상 주위의 격자를 비교적 손쉽게 생성하였고 터빈 주위에서 조밀하게, 터빈에서 멀어질수록 성기게 하여 경제적인 해석을 수행할 수 있었다.
또한, 블레이드 전체를 모델링한 full body해석과 하나의 블레이드만을 모델링한 single body해석 결과를 비교하여 보다 경제적이면서 신뢰도 높은 해석프로세스를 제안하였다. 조류발전 터빈의 TSR 조건 변화에 따라 CFD해석결과가 실험결과의 경향과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 낮은 TSR 조건에서는 국부적 와동발생에 의해 C_P가 감소하는 것을 확인하였고 설계 TSR에서 가장 좋은 효율을 보임을 확인하였다.

후속연구

낮은 TSR 조건에서는 국부적 와동발생에 의해 C_P가 감소하는 것을 확인하였고 설계 TSR에서 가장 좋은 효율을 보임을 확인하였다. suction side의 압력분포, 팁 와동의 강도가 성능개선을 위한 주요한 설계변수로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍력, 태양열 발전 시스템의 단점은?	특히 대표적인 친환경 발전 시스템 중 조류, 풍력 태양열 등을 이용한 발전 시스템들이 존재한다. 풍력, 태양열 발전 시스템의 경우 날씨의 영향을 크게 받기 때문에 발전량의 예측이 까다로운 단점이 있지만, 조류발전의 경우 조수간만의 차이를 이용하기 때문에 대상에너지원(조류)의 흐름이 안정적이고 발전량의 예측이 가능한 신뢰성 있는 에너지원이다. 또한, 조류발전 시스템을 풍력발전 시스템과 비교해 보았을 때 공기의 밀도보다 해수의 밀도가 약 830배 정도 크고, 유체 운동에너지의 밀도도 더 높기 때문에 터빈의 크기를 더 작게 설계하더라도 비슷한 수준의 발전 성능을 나타낼 수 있다.
	대표적인 친환경 발전 시스템에는 무엇이 있나?	온실가스의 배출에 대한 규제를 통해 지구 온난화 현상의 방지를 위한 교토의정서가 발효됨에 따라 전 세계적으로 친환경 에너지 문제에 대한 개발과 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 대표적인 친환경 발전 시스템 중 조류, 풍력 태양열 등을 이용한 발전 시스템들이 존재한다. 풍력, 태양열 발전 시스템의 경우 날씨의 영향을 크게 받기 때문에 발전량의 예측이 까다로운 단점이 있지만, 조류발전의 경우 조수간만의 차이를 이용하기 때문에 대상에너지원(조류)의 흐름이 안정적이고 발전량의 예측이 가능한 신뢰성 있는 에너지원이다.
	터빈형상 최적화를 위한 기초 연구로서 EDISON CFD의 프로펠러 단독성능 해석 S/W와 SNUFOAM ShipMesh Advanced 자동격자생성기를 이용하여 조류발전 터빈의 성능해석을 수행한 결과는?	조류발전 터빈의 TSR 조건 변화에 따라 CFD해석결과가 실험결과의 경향과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 낮은 TSR 조건에서는 국부적 와동발생에 의해 CP가 감소하는 것을 확인하였고 설계 TSR에서 가장 좋은 효율을 보임을 확인하였다. suction side의 압력분포, 팁 와동의 강도가 성능개선을 위한 주요한 설계변수로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

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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