엇회전 펌프터빈의 성능 향상을 위한 날개 형상의 수치 최적화 연구 :A Study on Numerical Optimization of the Blade Design to Improve the Hydraulic Performance of Counter-rotating Type Pump-turbine Unit

김진우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김진우 (과학기술연합대학원대학교, 과학기술연합대학원)

지도교수: 김진혁, 최영석

발행연도: 2018

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2018

엇회전 펌프터빈의 성능 향상을 위한 날개 형상의 수치 최적화 연구

김진우 대학교 2018.01 학위논문

2016

엇회전 펌프터빈의 펌프 및 터빈모드 동시 성능 향상을 위한 최적화 기법

김진우 , 김진혁 , 서준원 외 3명 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2016.11 학술대회자료

2015

다중목적 최적화기법을 적용한 엇회전 펌프터빈의 성능 향상 연구

김진우 , 서준원 , 김진혁 외 4명 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2015.12 학술대회자료

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본 연구에서는 엇회전 펌프터빈에 대해서 최적설계 및 수치해석 기법을 이용하여 펌프 및 터빈모드의 수력학적 성능을 동시에 향상시키기 위한 최적설계를 수행하였다. 엇회전 펌프터빈의 수치해석을 위하여 정상 및 비정상 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용하였으며, 수치해석 시 계산에 사용한 지배방정식은 유한체적법으로 이산화되었다. 난류유동해석을 위한 난류모델로는 k-ω기반의 SST(Shear Stress Transport) 난류 모델을 적용하였다. 수치해석 기법
을 사용하여 엇회전 펌프터빈 기본모델의 성능분석이 수행되었으며, 성능시험장치 및 입자영상유속계(Particle Image Velocimetry, PIV)를 사용한 내부유동 가시화를 통해 기본모델의 내부유동 특성을 분석하였다. 위 결과를 바탕으로 최적설계를 위한 최종 설계변수 및 목적함수를 선정하였다. 최종 설계변수는 4매 날개의 허브와 쉬라우드 프로파일의 날개각으로 선정하였으며, 이는 초기 선정된 설계변수에 대해 실험계획법 중 한 방식인 2k 요인시험 기법을 사용하여 목적함수에 큰 영향을 미치는 변수로 선정하였다. 목적함수는 펌프 및 터빈모드의 효율로 선정하였으며, 각 모드의 효율에 가중치를 두어 합성하여 한 개의 목적함수로 선정하였다. 선정된 최종 설계변수 및 목적함수를 바탕으로 라틴하이퍼큐브 샘플링(Latin Hypercube Sampling, LHS) 기법을 적용하여 적절한 실험점을 생성하였다. 수치해석을 통해 구해진 각 실험점의 목적함수 값을 토대로 신경회로망(Radial Basis Neural Network, RBNN) 대리모델을 이용하여 최적점을 탐색하였다. 날개각 제어를 통해 설계변수 범위 내에서 목적함수가 최대가 되는 형상을 도출하였다. 최종적으로, 기본모델과 최적화 모델의 내부 유동장을 비교분석하여 성능향상의 원인을 파악하였다.

In this study, a counter-rotating type pump-turbine unit was optimized using the optimization techniques and the numerical analysis method to improve the hydrodynamic performance of the pump and turbine mode simultaneously. The steady and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) equations were used for
the numerical analysis of a counter-rotating type pump-turbine unit. The governing equations used in the numerical analysis were discretized by the finite volume method. As a turbulence model for the analysis of turbulent flow, a k-ω based shear stress transport(SST) turbulent model was applied. The hydrodynamic
performance for the base model of a counter-rotating type pump-turbine unit was analyzed using the numerical analysis method. The internal flow characteristic was analyzed through internal flow visualization using the performance test device and particle image velocimetry(PIV) device. Based on the above results,
the final design variables and objective functions for the optimum design were selected. The final design variables were selected as the hub and tip blade angles of the front blade(in the turbine mode). These were selected as variables that had a large effect on the objective functions using the 2k factorial design in the design of experiment(DOE) for the initial design variables. The objective functions were selected as the efficiency of the pump and turbine mode, and these objective functions were integrated as one specific
function by using weighting factor. Based on the selected final design variables and objective functions, the suitable twelve sample points within the design space were generated by applying Latin Hypercube Sampling(LHS) method. Based on the objective function values of twelve sample points analyzed through numerical analysis, the optimal point was searched by using a radial basis neural network(RBNN) surrogate model. Through the blade angle control, the blade design which maximizes the objective function values
simultaneously within the design variable range was generated. Finally, the reason of efficiency improvement was analyzed by comparing and analyzing the internal flow field of the base model and the optimum model.

#엇회전 펌프터빈 #날개각 #2k 요인시험 #내부유동 가시화 #내부 유동장 #최적설계 기법 #전산유체역학

Ⅰ. 서 론 1
Ⅱ. 기본모델 성능평가 5
1. 기본모델 선정 5
2. 수치해석 기법 및 경계조건 8
3. 기본모델 성능평가 결과 비교 11
4. 기본모델 내부유동 특성 분석 13
가. 수치해석 기법 및 경계조건 13
나. 내부유동가시화 기법 15
Ⅲ. 날개형상 수치최적설계 20
1. 목적함수 선정 22
2. 설계변수 및 범위 선정 22
3. 실험계획법 25
가. 2k 요인시험 기법 25
나. Latin Hypercube Sampling 기법 32
4. 신경회로망 기법 35
Ⅳ. 결 과 38
1. 수치최적설계 결과 38
2. 기본 및 최적화 모델 성능분석 결과비교 42
Ⅵ. 결 론 56
참고문헌 57

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