풍동실험을 통한 톱니형 뒷전 풍력로터의 공력성능 평가 및 소음저감 효과 예측기법에 대한 연구 :Estimation Method to achieve a Noise Reduction Effect and to Evaluate the Aerodynamic Performance of a Wind Turbine Rotor with a Serrated Trailing Edge in a Wind Tunnel Test

이재하

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이재하 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 최종수

발행연도: 2015

저작권: 충남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수23

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

부착형 톱니형 뒷전을 적용한 VTOL 드론 비행소음 예측 및 평가

이재하 , 최종수 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.07 학술대회자료

2017

톱니형 뒷전을 적용한 프로펠러 추진시스템의 소음저감 효과에 대한 실험적 연구

이재하 , 최종수 , 이충렬 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2017.11 학술대회자료

2015

풍동실험을 통한 톱니형 뒷전 풍력로터의 공력성능 평가 및 소음저감 효과 예측기법에 대한 연구

이재하 항공우주공학과 2015.01 학위논문

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본 논문은 풍력 로터(Wind Turbine Rotor)의 소음을 저감하기 위한 방법의 하나로 톱니형 뒷전을 갖는 에어포일(airfoil) 및 풍력로터 시스템의 공력 성능 변화 및 소음 저감 효과에 대한 내용을 풍동실험을 통하여 연구 수행하였다. 톱니형 뒷전의 적용 여부에 대한 성능 분석을 위하여 실제 운용되는 10kW급 풍력 로터에 얇은 두께의 톱니형 뒷전을 적용하도록 한다는 관점을 기준으로 톱니형 뒷전의 소음 저감 효과에 대한 연구수행 하였다. 톱니형 뒷전이 갖는 소음 저감 효과에 대하여 이론적인 기준이 되고 있는 Howe의 이론을 기준으로 수행된 톱니형 뒷전에 대한 선행연구에 사례분석을 통하여 기존 연구에 대한 제한 조건 고찰하고, 2차원 익형에 톱니형 뒷전을 적용할 경우 고려되어야 하는 제한 조건에 대하여 풍동실험을 통하여 고찰하였다.
풍동실험은 2차원 익형 및 축소모델로 분류하여 실험을 수행 하였으며, 공력성능변화 및 소음 성능저감 효과에 대한 내용을 다루었다. 톱니형 뒷전을 갖는 2차원 익형에 대한 풍동 실험의 경우 앞서 고찰한 Howe의 이론의 제한 조건을 확인하기 위하여 후류 분포 측정 및 소음특성과의 연관성을 분석하였다. 이러한 실험결과로부터 2차원 익형에서는 경계층의 두께가 변화하는 현상이 일어나기 때문에 이러한 요소를 고려할 수 있는 경험식 또는 이론적인 접근이 필요하다는 것을 확인 하였다. 본 논문에서는 Brooks가 제안한 Acoustic Model을 기준으로 톱니형 뒷전 2차원 익형에 대한 풍동 실험결과를 활용한 톱니형 뒷전 소음 예측 경험식을 제안하였다. 또한, 톱니형 뒷전이 부착된 NACA0012 익형과 Baseline Airfoil의 풍동 실험결과 및 소음 예측 결과의 비교 분석을 통하여, 2차원 익형에 대한 소음 예측 경험식을 새롭게 제안하고, NACA0012익형과 Baseline Airfoil, 톱니형 뒷전에 대한 공력 및 소음 실험을 수행하여 본 논문에서 제안한 소음 예측식 유효성을 확인하였다. 축소로터 풍동 실험의 경우 톱니형 뒷전의 적용여부에 따른 공력성능을 고찰하고, 소음 저감 효과를 확인하였다. 또한, 풍동 실험을 통하여 취득한 축소로터의 소음 측정값을 이용하여 실제 풍력 로터의 소음을 예측할 수 있는 소음 예측 기법을 제안하고 IEC(Wind Turbine Noise) 국제 평가 규정에 의거하여 수행된 실제 풍력로터의 소음 측정 결과와 비교하여 해당 결과의 타당성을 확인하다. 이러한 연구 수행을 위하여 풍동 실험결과를 이용한 실제 풍력 로터의 소음 Scaling 기법 및 절차 제시 하였다. 그 외에도 톱니형 뒷전을 갖는 익형 및 축소로터의 풍동실험 수행을 위하여 기본적인 실험 장치의 구성 및 검증을 수행하였고, 풍동 개방형 시험부 보정 기법 및 풍동의 벽면효과보정 기법과 같은 기본적인 풍동 실험 기법에 대한 연구를 함께 수행하였다.
본 논문에서 제안된 연구방법이나 수행된 실험의 내용, 취득된 실험데이터에서 분석된 결과들은 풍력 로터에 소음 저감을 위한 목적으로 외에도 유동의 흐름이 있는 분야 및 2차원익형을 사용하는 분야 및 프로펠러와 같은 회전하는 시스템에도 응용이 가능할 것으로 판단된다.

This paper describes a wind tunnel experiment that was undertaken to investigate the changes in the aerodynamic performance of a wind turbine due to the inclusion of a 2D airfoil with a serrated trailing edge designed to reduce the noise caused by a wind turbine rotor blade.
In order to analyze the changes in the performance due to the inclusion of a serrated trailing edge designed to reduce noise, a 10kW wind turbine rotor was equipped with a thin serrated trailing edge. The restrictive condition for the serrated trailing edge equipped with the use of a 2D airfoil was examined through the use of a wind tunnel experiment after studying existing restrictive condition and analyzing prior research on serrated trailing edges. The study was conducted according to Howe’s theory, which is a cornerstone of the study of noise reduction effects produced by a serrated trailing edge.
The experiment was conducted by using a 2D airfoil and a small-scale model to focus on the aerodynamic performance and the noise reduction effect. For the serrated trailing edge equipped on a 2D airfoil, the wake distribution and the relation to noise were analyzed in order to determine the restrictive condition in accordance with Howe’s theory. The results indicated that an empirical formula or a theoretical approach should consider changes in the boundary layer thickness of a 2D airfoil, so an empirical noise prediction formula is suggested for the serrated trailing edge. The formula is based on the acoustic model proposed by Brooks, and it reflects the results of this experiment. Also, a comparison and an analysis of the prediction and the experimental results for the noise produced by the NACA0012 or the baseline airfoil equipped with a serrated trailing edge suggested a novel formula for a 2D airfoil. Then, an experiment on the aerodynamics and noise of the NACA0012, baseline airfoils and serrated trailing edge confirmed the validity of the formula. The aerodynamic performance and noise reduction effect of a small-scale model were investigated with the use of a serrated trailing edge. Moreover, the noise levels from the experiment suggested that the noise prediction method could be used for a full-scale rotor. Then, the noise level of a full-scale rotor was measured through the use of the IEC standard for wind turbine noise, which confirmed the validity of the method. This study provides a noise scaling method and a procedure for a full-scale rotor, to which the results of a wind tunnel experiment can be applied. In addition, the basic equipment for the experiment involving the airfoil equipped with a serrated trailing edge and a small-scale rotor has been determined and was verified. In addition, research on methods for wind tunnel experiment in general, such as an open test section wind tunnel and a wall interference correction method, was also conducted.
The research methods, analysis, and results provided in this paper are applicable not only for the noise reduction of a wind turbine rotor, but also for use anywhere where there is fluid flow, a 2D wind airfoil, or a rotational mechanism, such as a propeller.

1. 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 관련 연구 3
1.3. 연구 목적 및 내용 6
2. 이론적 배경 8
2.1. 풍력로터의 공력특성 8
2.2. 톱니형 뒷전 소음 저감 효과 10
2.3. 2차원 익형 자체 소음 14
3. 톱니형 뒷전 2차원 익형 공력 및 소음 풍동실험 16
3.1. 아음속 무향풍동 시설 소개 16
3.2. 2차원 익형 공력 및 소음 성능 실험장치의 구성 17
3.3. 톱니형 뒷전 2차원익형 공력 및 소음 성능 21
3.4. 톱니형 뒷전 2차원익형 후류 특성 32
3.5. 톱니형 뒷전 2차원익형 소음 저감 예측 경험식 40
3.6. 톱니형 뒷전 2차원익형 소음 예측 결과 검증 46
4. 톱니형 뒷전 축소로터 공력 및 소음 풍동실험 60
4.1. 축소로터 공력 및 소음 성능 실험장치의 구성 60
4.2. 톱니형 뒷전 축소로터 공력 및 소음성능 66
4.3. 실제 풍력 로터 소음 예측기법 제안 및 검증 70
4.4. 톱니형 뒷전 소음 저감 효과 분석 85
5. 결론 90
참고문헌 93
Appendix A. 2차원익형 자체 소음 및 예측 경험식 98
A.1 Airfoil Self Noise 99
Appendix B. 2차원 익형 실험 장치 및 후류 측정 실험 104
B.1 2차원 익형 풍동실험장치 및 수행내용 105
B.2 톱니형 뒷전 후류측정 실험 110
B.2 축소로터 실험장치 소개 116
Appendix C. 풍동실험 기법 소개 119
C.1 2차원 익형 개방형 시험부 조건 보정기법 120
C.2 축소로터 풍동 벽면효과 보정기법 121
Appendix D. 실제 풍력 로터 소음측정 127
D.1 IEC 61400-11 규정에 의한 소음실험 128
Abstract 133

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