용 코드를 이용한 임펄스형 H-Type 소형 수직축 풍력 터빈의 2차원 성능 예측

Title
용 코드를 이용한 임펄스형 H-Type 소형 수직축 풍력 터빈의 2차원 성능 예측
Authors
김동주
Keywords
용코드를이용한임펄스형htype소형수직축풍력터빈의2차원성능예측
Issue Date
2012
Publisher
인하대학교
Abstract
본 논문에서는 중⦁소형 수직축 풍력 터빈의 공력 성능 평가 및 향상을 위한 설계 변수의 시험 평가 방법으로 전산유체 기법을 사용하였다. 연구 시 적용한 터빈은 바람 에너지로부터 항력과 양력을 통한 기계 에너지를 동시에 얻는 방식으로, 수직축 터빈의 일반적인 효율 보다 높은 값을 얻기 위하여 날개 단면 형상이 공기역학적으로 설계된 형태이다. 기본 해석 모델로는 터빈의 직경이 570mm, 3매의 곧은 날개를 갖는 형상을 사용하였으며, 정상 및 비정상 유동 해석을 수행하였다. 이를 통해 터빈의 최대 효율을 예측하였으며, 2차원 해석에서 실험치와 비교할 수 있는 토크 및 효율을 얻었다. 최적의 성능을 갖는 날개 형상을 구하기 위하여 2차원 상에서 설치각, 주속비, 현절비, 방위각의 변화에 따른 따를 토크 및 효율을 계산하였으며, 또한 수직축 풍력 터빈의 성능 변화의 주 설계 인자인 날개 수(Z)에 따른 효율을 예측하였다. 시뮬레이션 수행을 위해 지배 방정식을 풀기 위한 주 난류 모델로는 RNG k- 모델을 사용하였으며 상용 패키지인 CFX 11을 사용하였다. 수직축 풍력 터빈의 경우 직경이 570mm, 날개 수 3매, 설치각 18도(Deg)에서 최적의 성능을 나타내었다. 2차원 해석의 경우 날개 끝단에 의한 손실이 고려되지 않기 때문에 실험의 경우 보다 높은 수치의 토크가 발생함을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통하여 전산유체기법에 의한 수직축 풍력 터빈의 2차원 해석에 의한 성능 평가를 수행, 실험 대비 폭 넓은 변수에 따른 영향 분석 및 비용 절감적인 연구를 수행할 수 있었으며, 요구 성능에 따른 수직축 풍력 터빈의 설계 및 제어에 적용될 수 있을 것이다.
Description
목 차 기호 설명 ············································· ⅸ 표 및 그림 목록 ······································ ⅹ Ⅰ. 서론 1 1. 연구 배경 1 2. 연구 목적 3 3. 연구 개요 4 Ⅱ. 본론 6 1. 풍력 터빈의 특성 및 원리 7 1.1 풍력 터빈의 특성 7 1.2 임펄스형 풍력 터빈의 특성 및 설계 8 2. 수직축 풍력 터빈의 성능 향상을 위한 수치 해석적 접근 10 2.1 수치 이론 10 2.2 형상 모델링 16 2.3 격자 생성 17 2.3.1 주변 경계 영역 18 2.3.2 로터 영역 19 2.4 시뮬레이션 설정 23 3. 결과 분석 26 3.1 데이터 비교 26 3.2 격자 검증 27 3.2.1 격자 크기 27 3.2.2 시간 간격 28 3.3 결과 분석 26 3.3.1 속도 분포 29 3.3.2 압력 분포 30 3.3.3 현절비 31 3.3.5 주속비 38 3.3.6 날개 끝단 형상에 따른 성능 비교 39 3.3.7 난류 모델에 따른 성능 비교 41 Ⅲ. 결론 44 참고 문헌 46 표 및 그림 목록 Table.1 수직축 풍력 터빈 기본형 형상 정보 Table.2 격자 크기에 따른 성능 비교 Table.3 시간 간격에 따른 성능 비교 Table.4 현절비를 유지한 상태에서의 날개 수 증가를 위한 치수 비교 Table.5 날개 수 변경에 따른 현절비 비교 Table.6 로터 직경 변경에 따른 현절비 비교 Table.7 설치각에 따른 로터 반경 Table.8 날개 끝단 형상에 따른 성능 비교 Fig.1 수직축 풍력 발전기의 종류 Fig.2 임펄스 풍력 터빈 날개의 동력 획득 원리 Fig.3 비대칭 임펄스 수직축 풍력 터빈 형상과 터빈 날개의 속도 삼각형 Fig.4 개방형 풍력 터빈의 실험 장비 구조 Fig.5 전산 유체 시뮬레이션 과정 Fig.6 수직축 풍력 터빈의 2차원 형상 Fig.7 수직축 풍력 터빈의 3차원 형상 Fig.8 주변 경계 영역 격자 생성 과정 Fig.9 로터 영역 격자 생성 과정 Fig.11 벽면 근처에서의 유동의 거동 Fig.12 계산 격자에 따른 튐 현상 Fig.13 Y+를 고려한 블레이드 주변의 프리즘 격자 구성 Fig.14 2차원 시뮬레이션 구성 Fig.15 시뮬레이션 시간에 따른 토크 계수 Fig.16 실험 값 및 수치 계산 결과 비교 Fig.17 격자 크기에 따른 토크 계수 Fig.18 계산 시간에 따른 토크 계수 Fig.19 로터 주변의 속도 성분 Fig.20 로터 주변의 압력 성분 분포 Fig.21 날개 수에 따른 출력 계수(직경(D) 고정) Fig.22 고정 현절비에서 날개 수에 따른 난류 에너지 K 값 비교 Fig.23 날개 수에 따른 출력 계수(직경(D) 및 코드 길이(C) 고정) Fig.24 코드 길이 고정 상태에서 날개 수 변경에 따른 난류 에너지 K 값 비교 Fig.25 날개 직경 변화에 따른 출력 계수 Fig.26 날개 직경 변화에 따른 난류 에너지 K 비교 Fig.27 H/D에 따른 토크 및 Cp변화 Fig.28 주속비(TSR)에 따른 총 토크 계수 Fig.29 낱개 날개의 토크 계수 및 총 토크 계수 비교 Fig.30 날개 끝단 형상에 따른 격자 형상 a) Flat b) Round c) Sharp Fig.31 날개 끝단 형상에 따른 유선 패턴 Fig.32 난류 모델에 따른 토크 비교 Fig.33 난류 모델에 따른 압력 분포 비교 Fig.34 난류 모델에 따른 속도 분포 비교
URI
http://dspace.inha.ac.kr/handle/10505/23551
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College of Engineering(공과대학) > Naval Architecture & Ocean Engineering(조선해양공학) > Theses(조선해양공학 석박사 학위논문)
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