4.4 해저면 전단 응력(bed shear stress)
4.4.2 중앙 대칭선에서의 전단응력
y / D = 0, z / D = 0 에서의 x 방향의 선은 대칭 선이라고 본 연구에서 불린다. 특히 모노파일 기초 -2D < x < -0.5D 애서의 전단 응력 계수는 (Roulund et al., 2005)의 모노파일 기초에 대한 실험 결과와 비교되고 그림 4.24 에서 나와 있다. 실험 조건은 Re = 1.7×105, δ/D = 1 및 부드럽고 강체 해저이다.
FIGURE 4.24: Comparisons of shear stress coefficients along y/D = 0, z/D = 0
해저면 전단 응력 계수 τ τ/ ∞ 의
τ
는 전단 응력의 x 성분을 기반으로 하며 다른 구성 요소는 이 영역(대칭선)에서 무시할 수 있다. 전단 응력은 해저면의 속도 gradient 에 의존하기 때문에, 대칭 선을 따른 분리 점은 전단 응력이 0 인 곳이다.이것은 대략 x/D = 0.89 에서 발생한다. 이 점을 초과 한 음의 값은 backflow 를 상징하는 것은 분명하다. 대략 x / D = -0.85 까지 본 연구의 CFD 시뮤레이션 결과는 (Roulund et al., 2005)의 실험 결과와 유사하다. -0.85 < x/D < -0.5 사이에서 본 연구의 전단 응력 계수는 실험 결과에 비하여 반 정도 작다.
레이놀즈 수 크기에 따라 해저의 전단 응력 값이 변하는지 아닌지를 판단하 고자
시뮤레이션 했다.
case 레이놀즈 수 τ max τ∞ 1 9.2×105 0.62 2 4.6×106 0.88 3 1.4×107 0.99
TABLE 4.1: Comparisons of maximum shear stress coefficients between different Reynolds numbers
FIGURE 4.25: Comparisons of shear stress coefficients at different Reynolds number
메쉬 격자 질량을 보증함으로 이하여 레이놀즈 수를 1×105 까지 줄이지 못 했다.
그림 4.25 을 통하여 높은 레이놀즈 수 경우에는 레이놀즈 수가 늘어날수록 해저 전단 응력의 최대 값이 크다는 것을 나타낼 수 있다.
6 각형 중력식 기초 및 8 각형 중력식 기초(그림 5.26)의 결과는 말굽형 보텍스 강도가 현저하게 감소 함을 보여준다. 기초의 샤프한 앞 에지가 대칭 선에 위치하기 때문일 수 있다. 또한 6 각형 중력식 기초에 비하여 8 각형 중력식 기초 앞쪽의
말굽형 보텍스 강도가 더 큰 것으로 나타날 수 있다. 6 각형 중력식 기초에 비하여 8 각형 중력식 기초 앞쪽의 해저 전단 응력이 더 크기 때문이다.
FIGURE 4.26: Shear stress coefficients along the symmetry line, Hexagonal &
Octagonal GBF
그림 4.27 은 말굽형 보텍스가 기초 앞의 해저에서 두 부분으로 나뉘어진 것을 보여주는 4.3.1 절의 원형 중력식 기초 주위의 와류 구조와 일치한다. 이 그림은 가장 깊은 보텍스가 다른 기초보다 훨씬 강하다는 것을 보여준다. 이 현상에 대한 연구나 설명이 없다. 더 깊이 연구가 필요하다.
FIGURE 4.27: Shear stress amplification along the symmetry line, circular GBF
표 4.2 는 τ max
τ∞ 에 대한 결과를 요약한다. 모노파일 기초(원통식 기초)보다 중력식 기초 앞의 해저 전단 응력이 더 적으며, 6 각형 중력식 기초는 중력식 기초 중에 제일 작은 것이 나타난다.
Foundations τ max τ∞ Hexagonal 0.29
Octagonal 0.62 Circular 1.56 Monopile 0.88
TABLE 4.2: Comparisons of maximum shear stress coefficients between different foundations
제 5 장 결론
4 가지 바닥 고정형 풍력 터빈 기초(원통식 또는 모노타일, 원형 중력식, 6 걱형 중력식 및 8 각형 중력식) 주위의 경계층 유동이 CFD 시뮬레이션으로 연구되었다.
기초 앞에서의 downflow 와 backflow 가 연구되었다. 모노파일 앞쪽에는 넓은 범위의 downflow 가 존재하여 해저까지 이른다. 이것은 질량 보존으로 인해 해저면 근처의 기초 앞에서 backflow 를 유발한다. 중력식 기초의 하단 슬래브는 해저 부근의 downflow 를 제한하는 것으로 나타났다.
기초 주변의 압력 분포는 y/D = 0 에서 x-z 평면에서 등치선과 기초 주변의 3D 공간에서 등가면으로 연구되었다. 기초 앞에 양(+)의 수직 압력 구배 dp/dz > 0 이 존재하였다. 더 큰 부피를 갖는 모노파일은 다른 기초보다 압력 구배가 더 큰 것으로 나타났다.
4 가지 기초 주변의 보텍스 구조, 특히 기초 주변의 해저 위에 생긴 말굽 모양의 보텍스는 구조를 계산을 통하여 관찰하였다. 모노파일 기초 주변에 1 가지의 말굽형 보텍스가 기초 주변의 해저 위에서 생겼다. 6 각형 중력식 기초 및 8 각형 중력식 기초 주변에서 2 가지의 말굽형 보텍스가 생겼다. 하나는 하단 슬래브에서, 하나는 해저 위에서 생겼다. 또한 8 각형 중력식 기초 뒤쪽 부분의 보텍스가 대칭 형태가 아니고 -y 방향으로 편향된 것으로 나타났다. 원형 중력식 기초의 경우, 말굽 모양의 보텍스는 3 부분으로 나뉘었다. 하나는 하단 슬래브에서, 2 개는 해저 위에서 생겼다.
y/D = 0, z/D = 0 선을 따른 해저 전단 응력의 x 성분이 조사되었다. 결과는 전단 응력 계수인
τ τ
/ ∞ 로 표현되었다. 말굽형 보텍스 크기도 전단 응력 계수로 측정되었다. 6 각형 중력식 기초는 제일 작은 전잔 응력이 나타났다. 해저 전단 응력과 말굽형 보텍스 크기를 고려하여, 6 각형 중력식 기초 주변의 세굴 문제가 제일 심하지 않다는 결론이다.참고문헌
Bakker, A. (2006), Lecture 10 - Turbulence Models, Applied Computational
Fluid Dynamics,
accessed 10 June 2015,
http://www.bakker.org/dartmouth06/engs150/10-rans.pdf
Cengel, Y. A. and Cimbala, J. M. (2010). Fluid Mechanics, Fundamentals and
Applications, Second Edition, McGraw-Hill.European Commission (2015), 2030 framework for climate and energy policies, accessed 10 June 2015, http://ec.europa.eu/clima/policies/2030/index_en.htm European Wind Energy Association (2015b), Wind in power - 2014 European
statistics,
accessed 10 June 2015,
http://www.ewea.org/fileadmin/files/library/publications/statistics/EWEA-Annual-Statistics-2014.pdf
Gainer, T. G., Morrison, J. H., Rivers, S. M., Mysko, S. J., and Witkowski, D.
P. (2001), ’Cfd sensitivity analysis of a modern civil transport near buffet-onset conditions’,
http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20020015798.pdf
Global Wind Energy Council (2015), Global Wind Energy Council homepage, accessed 10 June 2015, http://www.gwec.net/global-Figures/graphs/
Jeong, J. and Hussain, F. (1995), ’On the identification of a vortex’, Journal of
fluid mechanics, 285:69–94.Jeppsson, J., Larsen, P. E., and Larsson. (2008), ’Technical description lillgrund wind power plant’, Lillgrund Pilot Project. Vattenfall Vindkraft AB.
Kalitzin, G., Medic, G., Iaccarino, G., and Durbin, P. (2005), ’Near-wall
behaviour of rans turbulence models and implications for wall functions’,
Journal of Computational Physics, 204:265–291.