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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 배재성
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수3
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본 논문에서의 FSI : Fluid - Structure Interaction analysis Method(유체-구조연성해석) 은 유체와 구조를 연계하여 해석하는 방법으로 대상 내부 혹은 주위로 유체의 흐름이 있고 그 유체의 유동에 의해 구조물이 힘을 받는 경우 유체의 압력을 해석 대상에 작용하는 하중조건으로 변환해 구조해석을 수행 하는 방법이다.
이 기법은 가스터빈 엔진, 고층빌딩, 풍력발전기 회전날개등과 같이 유체에 의해 하중이 발생하는 다양한 구조물의 구조해석에 적용이 가능하며 해상의 석유시추선과 같은 수중구조물의 구조 해석에도 쓰이고 있는 적용범위가 크며 용이한 해석 방법이다. 또한 풍력발전기 블레이드등과 같은 날개의 해석 경우에는 돌풍 및 풍속, 받음각, 날개 변형과 같은 구조 변화로 인하여 유체의 흐름 변화가 발생 하게 된다. 따라서 블레이드의 설계 및 해석수행에서는 구조 변형에 따른 공기력의 변화와 공기력 변화에 따른 구조변형에 대한 해석이 수행 되어야만 한다.
위의 설명한 유체- 구조연성해석 방법을 이용하여 중대형 풍력발전기 블레이드의 패브릭스킨을 해석하여 패브릭으로 씌워진 박막구조물의 물리적 변형을 보고, 그에 따른 변형을 통해 하중을 많이 받는 부분을 분석하고 변형 후의 공기력의 변화를 분석함으로써 블레이드의 효율성에 대한 검토를 실시하였다. 블레이드는 5MW급 이상의 중대형 풍력발전기인 NREL 5-MW Baseline wind turbine blade에서 루트(Root)부분에 가까운 DU_40 에어포일과 블레이드 팁(Tip)부분 쪽에 장착된 NACA-64 에어포일에 대하여 대상을 선정하여 해석을 진행하였다.
유체-구조 연성해석을 수행하기에 앞서서, 풍력발전기 블레이드 패브릭 스킨의 재료적 특성인 박막형태의 구조물의 모달 해석 검증과 해석 대상으로 선정한 풍력발전기 블레이드의 CFD 해석검증을 먼저 실행을 하여 해석의 타당성을 높였다. 인장력을 받아야만 굽힘 변형이 일어나는 박막 구조물의 성질에 따라 패브릭 스킨에서의 장력의 세기를 다르게 하고, 선정한 에어포일에서의 공기력 제원으로부터 기본풍속에서부터 정격속도에 이르기까지의 유동해석 경계조건을 설정하여서 정적 연성해석을 진행하고 풍동의 유입속도에 따른 장력의 세기별로 구조물의 변형과 공기력 데이터 비교를 하였다. 또한 공기의 유입속도가 더 빠르고 변형량이 더 많이 발생한 블레이드 팁(Tip) 부분의 에어포일은 동적 연성해석을 진행하였다. 변형이 많이 발생하는 노드 포인트를 지정하여서 시간에 따른 패브릭 스킨의 변형량을 측정하여 FFT 변환을 거쳐 1차에서부터 3차모우드 까지의 고유진동수와 모우드 형상을 패브릭 스킨의 모달해석 결과와 비교 분석을 하였다.
이 기법은 가스터빈 엔진, 고층빌딩, 풍력발전기 회전날개등과 같이 유체에 의해 하중이 발생하는 다양한 구조물의 구조해석에 적용이 가능하며 해상의 석유시추선과 같은 수중구조물의 구조 해석에도 쓰이고 있는 적용범위가 크며 용이한 해석 방법이다. 또한 풍력발전기 블레이드등과 같은 날개의 해석 경우에는 돌풍 및 풍속, 받음각, 날개 변형과 같은 구조 변화로 인하여 유체의 흐름 변화가 발생 하게 된다. 따라서 블레이드의 설계 및 해석수행에서는 구조 변형에 따른 공기력의 변화와 공기력 변화에 따른 구조변형에 대한 해석이 수행 되어야만 한다.
위의 설명한 유체- 구조연성해석 방법을 이용하여 중대형 풍력발전기 블레이드의 패브릭스킨을 해석하여 패브릭으로 씌워진 박막구조물의 물리적 변형을 보고, 그에 따른 변형을 통해 하중을 많이 받는 부분을 분석하고 변형 후의 공기력의 변화를 분석함으로써 블레이드의 효율성에 대한 검토를 실시하였다. 블레이드는 5MW급 이상의 중대형 풍력발전기인 NREL 5-MW Baseline wind turbine blade에서 루트(Root)부분에 가까운 DU_40 에어포일과 블레이드 팁(Tip)부분 쪽에 장착된 NACA-64 에어포일에 대하여 대상을 선정하여 해석을 진행하였다.
유체-구조 연성해석을 수행하기에 앞서서, 풍력발전기 블레이드 패브릭 스킨의 재료적 특성인 박막형태의 구조물의 모달 해석 검증과 해석 대상으로 선정한 풍력발전기 블레이드의 CFD 해석검증을 먼저 실행을 하여 해석의 타당성을 높였다. 인장력을 받아야만 굽힘 변형이 일어나는 박막 구조물의 성질에 따라 패브릭 스킨에서의 장력의 세기를 다르게 하고, 선정한 에어포일에서의 공기력 제원으로부터 기본풍속에서부터 정격속도에 이르기까지의 유동해석 경계조건을 설정하여서 정적 연성해석을 진행하고 풍동의 유입속도에 따른 장력의 세기별로 구조물의 변형과 공기력 데이터 비교를 하였다. 또한 공기의 유입속도가 더 빠르고 변형량이 더 많이 발생한 블레이드 팁(Tip) 부분의 에어포일은 동적 연성해석을 진행하였다. 변형이 많이 발생하는 노드 포인트를 지정하여서 시간에 따른 패브릭 스킨의 변형량을 측정하여 FFT 변환을 거쳐 1차에서부터 3차모우드 까지의 고유진동수와 모우드 형상을 패브릭 스킨의 모달해석 결과와 비교 분석을 하였다.
목차
제 1 장 서 론 11.1. 연구배경 11.2. 연구동향 41.3. 연구목적 10제 2 장 해석의 타당성을 위한 검증해석 112.1. 다양한 박막구조물 모달해석 비교검증 112.1.1. Square Membrane 검증해석 112.1.2. Membrane reflector 검증해석 162.1.3. Shell membrane 검증해석 212.2. 전산유체해석을 통한 비교검증 262.2.1. 풍력발전기 블레이드 전산유체 검증해석 262.2.2. 압축성을 고려한 에어포일 전산유체 검증해석 30제 3 장 유체-구조연성해석 방법을 이용한 블레이드 해석 383.1. DU_40 에어포일 정적 유체-구조연성해석 383.1.1. 에어포일 선정과 구조해석 설정 및 결과 383.1.2. 전산유체해석 경계조건 설정 및 결과 443.1.3. 정적 유체-구조연성해석 설정 및 결과 483.2. NACA_64 에어포일 정적 유체-구조연성해석 553.2.1. 에어포일 수정과 구조해석 설정 및 결과 553.2.2. 전산유체해석 경계조건 설정 및 결과 603.2.3. 정적 유체-구조연성해석 설정 및 결과 643.3. NACA_64 에어포일 동적 유체-구조연성해석 713.3.1. 에어포일 선정과 동적 유체-구조연성해석 설정 713.3.2. 동적 유체-구조연성해석 결과 73제 4 장 결 론 90참고 문헌 91SUMMARY 94
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