유체-구조 연계 기법을 이용한 조류력 터빈의 성능 최적 설계Performance optimum design of a tidal current turbine using fluid-structure interaction method

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본 연구에서는 조류력 터빈이 유체-구조 연계 해석을 통한 성능 및 구조 변형 해석을 수행하였다. 이를 위하여 구조 해석 프로그램 ABAQUS를 사용하여 기하학적 비선형성을 고려한 1차원 보 모델을 해석하였으며, 유체력 해석을 위하여 BEM (Blade Element Momentum) 모델을 구축하였다. 또한 구조 모델과 유체력 모델을 연계 하기 위한 유체-구조 연계 시스템을 구축하였다. 해석 모델은 NREL에서 개발한 가상의 550kw 수평축 조류력 터빈으로 허브 (직경 2m)와 두 개의 블레이드 (9m)로 구성되어 있다. 유속이 빨라질 경우 유체-구조 연계 해석 결과는 BEM 모델로 해석한 결과와 차이가 커지는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 유속이 빨라짐에 따라 블레이드에 발생하는 유체력은 증가하며, 유체력으로 인하여 블레이드에 구조 변형이 일어난다. 그 결과 구조 변형으로 인해 유동의 받음각이 변화하고, 블레이드에 발생하는 유체력은 감소하게 된다. 따라서, 블레이드를 강체로 가정한 BEM 모델 해석 결과와 달리 유체-구조 연계 해석은 목표 성능에 도달하지 못하는 것을 알 수 있다. 본 연구의 유체-구조 연계 해석을 통해 조류력 터빈 설계 시 구조물 변형 효과를 고려하게 된다면, 더 정확한 성능을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 일반적으로 flap방향의 처짐이 edge방향의 처짐보다 크게 발생함을 알 수 있다. 특히 정격유속에서 flap방향의 처짐이 블레이드 길이의 10%를 초과한다. 이러한 flap방향의 처짐은 로터를 지지하는 구조물과 충돌 할 수 있는 가능성이 존재함을 의미한다. 따라서 본 연구를 통해 블레이드 처짐으로 인한 지지대의 충돌을 사전에 방지할 수 있는 자료로 활용 가능하다고 판단된다. 유체-구조 연계 해석을 통하여 조류력 터빈 블레이드의 구조 변형으로 인한 성능의 감소와 타워 지지대와의 충돌 가능성에 대해서 확인하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 연구에서는 pre-cone 각도 최적화나 pre-bend 블레이드 설계를 사용하였다. 본 연구를 통하여 최적화 모델이 구조 변형을 고려하더라도 설계 목표 성능에 도달할 수 있음을 확인하였고, 이는 조류력 터빈의 실 운용 시 설계 목표 출력을 낼 수 있음을 의미한다. 또한 flap방향의 블레이드 처짐으로 인한 타워와의 충돌 가능성도 기존 블레이드와 비교하여 획기적으로 낮추었음을 확인하였다. 그러므로, 기존 조류력 터빈은 블레이드의 재설계가 필요하지 않은 pre-cone 각도 최적화를 통해 성능을 끌어 올리는 동시에 충돌 가능성을 낮출 수 있을 것으로 판단되며, 새롭게 개발하는 조류력 터빈의 경우 pre-bend/twist 블레이드를 도입함으로써 구조 변형으로 인한 성능 저하를 방지하고 타워 지지대와의 충돌 가능성도 낮출 수 있을 것으로 사료된다.
Advisors
이인researcherLee, In
Description
한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2014
Identifier
569615/325007  / 020123698
Language
kor
Description

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공, 2014.2, [ 59 p. ]

Keywords

유체-구조 연계 해석; Sequential quadratic programing; ABAQUS; Blade element momentum; Optimization; Tidal current turbine; 조류력 터빈; 최적화; 날개요소운동량 이론; 순차 이차방정식 프로그래밍; Fluid-structure interaction method

URI
http://hdl.handle.net/10203/196145
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=569615&flag=dissertation
Appears in Collection
AE-Theses_Master(석사논문)
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