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휴대용 수력 발전기의 수력학적 성능 분석을 위한 수치적 연구
마상범(Sang-Bum Ma),박혜린(Hyerin Park),김승준(Seung-Jun Kim),김성(Sung Kim),김진혁(Jin-Hyuk Kim) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
본 연구에서는 계곡이나 하천 등과 같이 소수력을 활용하여 휴대용으로 발전이 가능한 초소형 수력 터빈을 대상으로 수력학적 성능을 분석하기 위해 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 해석을 수행하였다. 이를 위하여 상용코드인 ANSYS CFX 19.0을 사용하였다. 해석대상은 휴대용 수력 발전기의 러너(Runner)를 선정하였고, 계산영역은 러너를 기준으로 입구부, 출구부 및 외부 경계면의 위치를 각각 러너 직경의 3배, 6배 및 3배로 설정하였다. RANS 해석의 난류닫힘 문제를 위해 Shear stress transport (SST) 난류 모델을 사용하였으며, 격자의 이산화 오류를 고려하여 Richardson 외삽법 기반의 Grid convergence index (GCI) 방법을 적용한 격자 의존성 테스트를 수행하였다. 다양한 사용환경을 고려하기 위해 입구 유속을 0.8 m/s에서 1.2m/s까지 선정하였고, 각 입구 유속에서 주속비를 3에서 7까지 고려하였다. 일반적인 조류 터빈과 달리 본 연구의 대상은 주속비가 3과 4일 때 발전계수가 거의 일정한 경향을 보여주었으며, 상대적으로 가장 높은 값을 형성하였다. 이러한 경향은 입구 유속과 상관없이 동일하였다. 또한, 러너의 70% 스팬에서 심한 유동박리 현상이 관찰되었으며, 이로 인해 전연의 하류방향으로 20% 위치에서 압력면과 흡입면의 압력이 역전되는 현상이 발생하였다.