• Ocean Systems Engineering
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• 제13권2호
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• pp.147-172
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• 2023

This study investigates the influence of loading and inflow conditions on tidal turbine performance from a hydrodynamic and hydroacoustic point of view. A boundary element method is utilized for the former to investigate turbine performance at various loading conditions under zero/non-zero yaw inflow. The boundary element method is selected as it has been selected, tested, and validated to be computationally efficient and accurate for marine hydrodynamic problems. Once the hydrodynamic solutions are obtained, such as the time-dependent surface pressures and periodic motion of the turbine blade, they are taken as the known noise sources for the subsequence hydroacoustic analysis based on the Ffowcs Williams-Hawkings formulation given in a form proposed by Farassat. This formulation is coupled with the boundary element method to fully consider the three-dimensional shape of the turbine and the speed of sound in the acoustic analysis. For validations, a model turbine is taken from a reference paper, and the comparison between numerical predictions and experimental data reveals satisfactory agreement in hydrodynamic performance. Importantly, this study shows that the noise patterns and sound pressure levels at both the near- and far-field are affected by different loading conditions and sensitive to the inclination imposed in the incoming flow.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.165.1-165.1
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• 2011

In the present study, two numerical methods were developed and compared for the performance prediction of the horizontal axis energy conversion turbine. The Blade Element Momentum Theory was adopted, and the rotating reference frame method for Computational Fluid Dynamics solver was also used. Hybrid meshing was used for the complex geometry of turbines. The analysis results using each method were compared to figure out a better method for the performance prediction.

• 해양환경안전학회:학술대회논문집
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• 해양환경안전학회 2018년도 공동국제학술발표회
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• pp.26-26
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• 2018

• 해양환경안전학회지
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• 제18권2호
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• pp.145-152
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• 2012

최근 지구온난화 문제가 대두되면서 신재생에너지 개발을 위한 여러 기술적인 해결책이 제시되고 있는데, 그 중 산업적으로 크게 주목을 받고 있는 분야가 바로 해양에너지이다. 삼면이 바다로 둘러싸인 우리나라는 부존자원이 풍부하여 조력, 조류, 파력에너지에 대한 실용화 기술이 요구되고 있으며, 특히 빠른 조류흐름을 이용하는 조류발전은 해양환경에 거의 영향을 끼치지 않는 친환경적인 발전 방법이다. 조류발전은 조수간만에 의해 발생되는 해수의 자연적인 수평 유체흐름을 로터 및 발전기를 설치하여 회전운동으로 변환시켜 전력을 생산하는 발전 형태이다. 조류발전은 로터의 방향에 따라 크게 수평축 형태와 수직축 형태로 구별할 수 있으며, 발전량은 로터 단면의 크기와 조류속도에 따라 큰차이가 난다. 따라서 본 연구는 저수심형 100 kW급 수평축 조류발전 터빈의 성능해석을 위하여 상용 ANSYS-CFX를 이용하여 3차원 유동해석및 성능평가를 수행하였고, 유동해석을 통해 회전하는 로터 블레이드 표면 유선, 로터 주변 3차원 유동특성에 대해 고찰을 하였다. 그 결과 토크는 터빈의 날개가 증가함에 따라 증가하다가 TSR 3.77에서 최대토크가 발생하였으며, 그 이후 날개끝 속도비가 증가해도 토크는 감소하였다. 또한, 설계유속에서 0.38의 최대 출력계수를 얻었다.

• 한국해양환경ㆍ에너지학회지
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• 제12권1호
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• pp.9-14
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• 2009

2차원 비정상의 RANS 방정식을 이용하여 피치가 고정된 3개 혹은 4개의 날개(hydrofoil)를 가지는 조류발전용 수직축 터빈주위의 비정상 유동장 해석을 수행하였다. 상용수치해석코드인 Fluent를 이용하여, 균일류에 놓인 $NACA65_3$-018날개에 대하여 받음각(angle of attack)의 변화를 주며 계산되는 유체력을 실험값과 비교하였고, 이를 바탕으로 대표적인 수직축 조류발전 터빈의 특성을 2차원적으로 고찰하였다. 사용된 수치해법은 대상 유동을 효과적으로 모사할 수 있음을 확인 하였고, 터빈의 최적 효율은 날개수 및 유속 대비 회전수 등의 적절한 조합으로 실현 될 수 있음을 파악하였다.

• International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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• 제6권2호
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• pp.257-268
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• 2014

In this study, flow-driven rotor simulations with a given load are conducted to analyze the operational characteristics of a vertical-axis Darrieus turbine, specifically its self-starting capability and fluctuations in its torque as well as the RPM. These characteristics are typically observed in experiments, though they cannot be acquired in simulations with a given tip speed ratio (TSR). First, it is shown that a flow-driven rotor simulation with a two-dimensional (2D) turbine model obtains power coefficients with curves similar to those obtained in a simulation with a given TSR. 3D flow-driven rotor simulations with an optimal geometry then show that a helical-bladed turbine has the following prominent advantages over a straight-bladed turbine of the same size: an improvement of its self-starting capabilities and reduced fluctuations in its torque and RPM curves as well as an increase in its power coefficient from 33% to 42%. Therefore, it is clear that a flow-driven rotor simulation provides more information for the design of a Darrieus turbine than a simulation with a given TSR before experiments.

• 한국해양환경ㆍ에너지학회지
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• 제19권2호
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• pp.151-158
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• 2016

조류발전단지는 유망한 해역에 터빈을 복수로 다배열하여 발전하는 시스템을 말한다. 이러한 단지는 각 터빈이 최대 효율로 작동하고, 최대 발전량을 얻을 수 있도록 설계되어야 하는데, 이를 위해서는 터빈 사이의 간섭으로 인한 성능 저하가 발생하지 않도록 터빈은 일정 거리를 두고 배치되어야 한다. 수평축 터빈의 경우 EMEC(European Marine Energy Centre)에서 배치거리를 제안하고 있으나, 수직축 터빈은 그러한 규정이 제안된 바 없다. 여러 연구 결과들에 따르면 수직축 터빈이 인접할 경우 성능의 향상까지 도모될 수 있으므로, 그 배치는 수평축 터빈보다 더욱 중요하게 검토될 필요가 있다. 본 논문에서는 수직축 터빈에 대하여 수평축 터빈과 같이 일정 거리를 두고 배치하는 것과 터빈을 인접하도록 배치하는 것과의 차이를 조사하였다. 이를 위해 두 터빈간의 거리와 회전방향을 파라메터로 하여 그에 따른 성능 차이를 수치해석적으로 연구하였고, 그 이유를 파악하고자 하였다. 본 연구를 통하여 가장 적절한 수치해석 영역과 조건을 설정할 수 있었으며, 인접한 두 터빈이 각각 반시계-시계방향으로 회전하는 것이 단독 터빈 2기 대비 약 9.2%의 성능향상이 예측되었다. 터빈이 대각으로 배치된 경우는 최대 약 5.6%정도 성능이 향상됨을 확인하였다. 본 연구는 수직축 터빈을 이용한 조류발전단지를 설계시 유용한 정보가 될 것으로 기대된다.

• Ocean and Polar Research
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• 제39권4호
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• pp.293-300
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• 2017

Various approaches have been tried in an effort to improve the power performance of a flapping tidal stream turbine after it was introduced as an alternative to conventional rotary turbines. Among the different approaches, researches on mimicking the morphology and behavior of animals have been conducted. In this study, we utilized a flapper to mimic the multi-joint pectoral fin of a Manta-ray and investigated its effect on power generation. Experiments were conducted by a dual flapping apparatus with rigid and flexible flappers in a towing tank facility. First, in order to determine the conditions that can produce high power generation, the performances of the dual rigid flappers were compared when input arm angles and frequencies are changed, and the two conditions $40^{\circ}$, 0.2 Hz and $40^{\circ}$, 0.3 Hz for the input arm angle, frequency were selected. When the mimicked flexible flapper was used instead of the front rigid flapper and the rear one, the power was improved by an average of 22% and 38% in the experimental conditions, respectively. Moreover, it was recognized from the apparent camber observed during the experiment that the flexible flapper had been successfully applied. If the feasibility of the Manta-Ray mimicked flapper is improved through subsequent researches, the flapping tidal turbine can be a viable alternative to rotary turbines in the near future.

• 대한기계학회논문집B
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• 제39권8호
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• pp.661-668
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• 2015

본 연구에서는 풍력발전분야의 블레이드 공력설계 및 성능해석에 적용되고 있는 날개요소운동량이론을 이용한 조류터빈 블레이드 형상설계 방법론을 제시하였으며, S814 단일 에어포일로 구성된 2 블레이드 형식의 1MW급 수평축 블레이드 형상설계 결과를 제시하였다. 조류터빈 블레이드는 해양환경에서 운전되는 특성 상 블레이드 팁 근방에서 캐비테이션 발생으로 인한 문제가 상존하므로, 설계초기단계에서 신중히 고려되어야 한다. 본 연구를 통해 설계된 1MW 조류터빈 블레이드의 유동특성분석 및 출력성능해석을 위해 캐비테이션 모델이 고려된 CFD 해석을 수행하였으며, 블레이드 팁 근방 흡입 면 및 압력 면에서 캐비테이션이 발생하고 있음을 확인하였다. 최대 출력계수는 설계 주속비 7의 조건에서 47%로 나타났다.

• 한국해양환경ㆍ에너지학회지
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• 제15권2호
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• pp.142-149
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• 2012

다양한 축척을 갖는 조류발전용 수직축 터빈의 유속과 직경의 변화가 터빈의 유체공학적 효율에 미치는 영향을 수치적으로 연구하였다. 수치해석은 직경 산정식을 사용하여 도출된 동일형상의 다양한 치수의 기준터빈에 대하여 수행되었으며 유속과 직경 변화에 따른 효율의 차이에 대해 알아보았다. 해석결과 터빈의 효율은 레이놀즈 수 변화에 따라 체계적으로 증가하는 것을 확인하였으며, 이로부터 크기가 다른 동일형상의 터빈의 성능은 TSR(Tip Speed Ratio)과 레이놀즈수(Reynolds number)만의 함수로 표시할 수 있음을 알 수 있었다. 이상의 수치해석 결과를 이용하여 수직축 터빈 초기설계단계에서 필요한 간편한 용량산정기법을 제안하고 유속, 직경, 터빈회전수 간의 상호관계를 다양한 관점에서 도표화 하였다. 본 연구는 터빈용량 10 kW~300 kW 사이의 수직축 터빈 초기설계 시에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.