조력터빈 번역(한국어 원본)2. Ocean current turbine
본 연구에서는 하동 화력발전소 3, 4호기 화력발전기 방수로에 설치되어 운전되는 수직 형 조류터빈을 설계평가 대상으로 선정하였다. 이 조류터빈은 방수로의 평균유속조건인 3.6 m/s에서 95 rpm으로 회전하며 20 kW의 전력을 생산 할 수 있고, 임계유속조건인 6 m/s에서 120 rpm으로 회전하며 50 kW의 전력을 생산 할 수 있도록 설계되었다. 로터 어셈블리는 3 매의 블레이드, 스포크, 축으로 구성된다. 블레이드는 NACA0020 에어포일을 사용하여 길이방향으로 120°의 회전 각도를 갖는 헬리컬 타입으로 설계되었고, 임계유속조건에서 구조건전성을 만족하도록 설계되었다. 터빈의 상세제원 및 3D 모델링 결과를 table 1과 fig.1에 각각 나타내었다.
3. Fluid-structure interaction analysis
3.1 Unidirectional FSI analysis
Unidirectional FSI 해석은 CFD 해석을 통해 구조물의 표면 압력분포를 계산하고 이를 유한요소 모델의 동일한 표면에 FEM 해석을 위한 초기하중조건으로 전달하여 응력과 변형율 등의 해석결과를 얻는 방법이다. 대부분의 수평축 조류터빈의 경우, BEM 기반의 시스템 하중해석 수행결과로부터 얻어진 line 하중(force or moment)을 각각의 블레이드 단면에 FEM 해석을 위한 초기 하중조건으로 부여하는 반면, FSI 해석기법은 Navier-Stokes 방정식 기반의 CFD 해석을 통해 얻어진 면 하중 데이터를 FE 모델에 직접 매핑하는 방식이므로, 보다 실제에 가까운 해석결과를 기대할 수 있다. 매핑된 면 압력 하중 데이터는 유한요소 모델의 각 절점에서 X 방향, Y 방향, Z 방향의 힘으로 변환되며 모든 절점의 자유도는 구속된다. 본 연구에서는 uni-directional FSI 기법 적용하여 구조물의 응력과 변형율 결과를 도출하였으며, ANSYS v.13.0을 사용하였다.
3.2 Turbulence model and boundary conditions
CFD에 의한 에어포일 성능해석 결과의 신뢰성 측면에서, 대부분의 범용 CFD 코드에서 채택하고 있는 standard k-ε 난류모델은 에어포일의 받음각(angle of attack)이 실속각(stall angle) 이상으로 유지되는 경우 박리지점의 부정확한 예측 및 실속지연 등의 문제가 발생함에 따라 과도한 양력을 예측한다고 잘 알려져 있다. 이는 점성저층(viscosity sub-layer) 영역에서의 경계층(boundary layer) 박리 예측에 실패한데 기인하며, 점성저층영역의 벽면전단응력(wall shear stress) 예측정도를 향상시키고자 Wilcox 모델, Wilcox 모델과 k-ε 모델의 장점만을 취해 개발된 BSL(baseline model) 모델, 난류전단응력(turbulent shear stress) 수송 항을 계산하는 SST(shear stress transfer) 모델 등이 개발되어 적용되고 있다. BSL 모델은 매끄러운 표면에서 발생하는 유동박리의 시점 및 크기에 대한 정확한 예측에 문제가 있는 것으로 알려져 있고, 대부분의 난류모델들이 난류전단응력의 수송(transport)에 대한 고려를 하지 않았기 때문에 eddy-viscosity를 과다 예측하는 부분이 해석결과의 정확성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 이에 대한 내용은 Menter의 연구결과에 상세히 기술되어 있다.[1]
SST 모델은 난류전단응력의 수송을 계산하기 때문에 역 압력구배에 의해 발생하는 유동박리의 크기와 발생시점을 비교적 정확히 예측할 수 있다. |
조력터빈 번역(영어 번역본)2. Ocean current turbine
Vertical-axis tidal wind turbines installed and operated in 3rd and 4th Hadong thermoelectric power plants were subject to design evaluation in this study. These tidal wind turbines were designed to rotate at 95 rpm and generate 20 kW of electricity at power plant discharge channel’s rated flow velocity of 3.6 m/s, and rotate at 120 rpm and generate 50 kW of electricity at extreme flow velocity of 6 m/s. Rotor assembly is composed of 3 sets of blade, spoke, and shaft. Blade was designed as a helical type, made from NACA0020 airfoil and having 120° angle of rotation spanwise, and designed to satisfy structural integrity at critical flow speed conditions. Detailed specifications and 3D modeling results of the turbine are given in Table 1 and Fig. 1.
3. Fluid-structure interaction analysis
3.1 Unidirectional FSI analysis
Unidirectional FSI analysis method uses CFD analysis to calculate surface pressure distribution and passes this as the initial load condition for FEM analysis on the same surface to obtain results such as stress and strain. In case of most horizontal-axis tidal wind turbines, line force or moment obtained from BEM-based system load analysis is used as an initial load condition for FEM analysis for each blade cross-section. On the other hand, FSI analysis method directly maps surface load data obtained from CFD analysis, which is based on Navier-Stokes equation, onto the FE model and is therefore expected to produce results closer to actual data. Mapped surface pressure load data is transformed into X-direction, Y-direction, and Z-direction forces at each node of the finite element model and degrees of freedom of all nodes are fixed. In this research, uni-directional FSI method was applied to produce structural stress and strain results, using ANSYS v.13.0 software.
3.2 Turbulence model and boundary conditions
In terms of reliability of airfoil performance analysis by CFD, standard k-ε turbulence model adopted by most commercial CFD codes is well known to overestimate lift force as it results in inaccurate prediction of separation point and stall delay when airfoil’s angle of attack is maintained above stall angle. This problem is caused by failure to predict separation of boundary layer in the viscosity sub-layer region. To improve prediction of wall shear stress of viscosity sub-layer region, Wilcox model, BSL (baseline) model (taking advantage of strengths of Wilcox model and k-ε model), and SST (shear stress transfer) model (which calculates transport term of turbulence shear stress) have been developed thus far. BSL model is known to have problems with accurate prediction of onset and size of flow separation occurring at smooth surfaces. Also, most turbulence models do not account for transport of turbulence shear stress, thus overestimating eddy-viscosity and affecting accuracy of analysis result. More detailed information on this subject is provided in a study by Menter.[1]
Because SST model calculates transport of turbulence shear stress, it can accurately predict size and onset of flow separation generated by adverse pressure gradient. |
