조류에너지는 신재생 해양에너지중 하나로서 최근에 각광을 받고 있다. 우리나라는 조수간만의 차이가 클 뿐만 아니라 해저지형의 복잡성으로 인하여 조류에너지 자원이 매우 풍부하다고 할 수 있 다. 이러한 관점에서부터 본 연구에서는 가장 최근에 도입된 새로 운 개념인 자유수평축 조류발전시스템에 대한 실험 및 측정 해석을 함으로써 이 시스템에서의 블레이드 최적 형상을 찾고자 하였다.
그런데, 시스템의 회전축이 고정된 축에서 회전하는 것이 아닌 자유롭게 운동하는 관계로 블레이드 수치계산에 의한 유동특성해석 은 현실적으로 무리가 따른다. 이와 같은 취지에서 본 연구에서는 실험적 기법인 정량적 유동가시화기법을 적용함으로써 유동장의 해 석을 수행하고자 하였다.
정량적 유동가시화 기법으로서 PIV(입자영상유속계, particle image velocimetry)법과 PTV(입자추적유속계, particle tracking velocimetry)법이 있으나 전자는 계산격자 상에서의 순간속도에 대 한 필터링(filtering) 효과에 의한 오차가 발생하는 단점이 있고, 후자는 보간 오차가 크게 되는 단점이 있는 관계로, 본 연구에서는 이를 보완할 수 있는 하이브리드 입자추적유속계(PTV) 알고리즘을 구축한 다음, 이를 자유수평축 조류발전시스템의 유동장 측정해석 에 적용하였다.
제 1 장에서는 연구의 배경과 목적을 기술하여 본연구의 필요성 과 목표에 대하여 기술하였다.
제 2 장에서는 하이브리드 입자추적유속계 알고리즘의 측정원리 와 관련된 PIV, PTV방법의 원리에 대하여 기술하였고, 이어서 이들 의 특징을 보완하여 작은 미세유동에도 측정이 가능한 하이브리드 입자추적유속계 알고리즘의 구축에 대한 원리를 논하였다. 구축된 하이브리드 입자추적유속계 알고리즘에 대한 성능검정을 위해 가우 시안 분포(Willert and Gharib 1991)를 사용하여 가상영상을 생성하 였으며 연속성 및 Navier- Stokes 방정식을 만족하는 Taylor-Green 의 와(vortex) 유동 방정식을 사용하여 하이브리드 입자추적유속계 (PTV) 알고리즘의 측정성능 및 응용성을 평가하였다. 이 결과로부 터 미세 와 유동에서도 측정 성능이 우수함을 확인하였다.
제 3 장에서는 정방향사각주 후류에 대한 측정성능평가로부터 계 조치상호상관 PIV법, 확률일치 PTV법, 그리고 본 연구에서 구축한 하이브리드 입자추적유속계 알고리즘을 적용하여 계산을 비교한 결 과 하이브리드 입자추적유속계 알고리즘에 의한 와의 구현 결과가 기존의 연구 성과와 정성적으로 같은 경향을 나타냄을 확인하였다.
이어서 전산유체역학(CFD)에 의한 계산결과와 비교를 통하여 구축 된 하이브리드 입자추적유속계(PTV) 알고리즘이 PIV측정법보다 우 수함을 확인하였으며, 이로서 구축된 측정법은 몰수체 후류의 측정 에 매우 잘 적용됨을 확인하였다.
제 4 장에서는 구축된 하이브리드 입자추적유속계 알고리즘으로 유연한 수평축을 가진 자유수평축 조류발전시스템의 서로 다른 형 상의 블레이드 및 동일형상의 블레이드이지만 각이 다른 블레이드 를 개별적으로 실험하여 블레이드 주위의 유동특성을 해석하였다.
하이브리드 입자추적유속계(PTV) 알고리즘으로 측정한 속도장 결과 로부터 운동량이론과 속도선도에 의거한 블레이드의 성능을 정량적 으로 분석해 본 결과, 속도장 측정결과에 의거한 속도선도는 측정 된 발생전력 특성과 일치하는 결과임을 확인하였다.
제 5 장에서는 구축된 하이브리드 입자추적유속계 알고리즘의 구 축 배경과 목적, 그리고 이를 적용하는 과정에서의 장점과 결과를 기술함으로써 하이브리드 알고리즘의 실용성을 평가하였다.