[논문 리뷰] Computational fluid dynamic simulation of hull reservoir wave energy device

V A U De Alwis, A P K De Silva외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 02.

Wave and Wind Energy Systems참고 문헌 13인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 파도 운동을 통해 파도 에너지를 추출하고, 내부 플랩의 회전을 유도하는 슬로싱 수조를 이용하는 새로운 유형의 헐스 리저보아 어웨이저 에너지 컨버터(HRWEC)의 CFD 기반 시뮬레이션을 제시한다. ANSYS-AQWA와 ANSYS-FLUENT를 사용하여 정규 파도 조건 하에서 수중역학적 성능을 분석한 결과, 내부 수량 3.0 m³인 케이스 3가 최적임을 규명하였으며, 최대 에너지 수집 계수는 53.2%를 기록하여 기준 케이스를 초월하였다. 이는 내부 수위 조절이 효율 최적화에 핵심적인 역할을 함을 시사한다.

ABSTRACT

This paper presents a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of a wave energy device called the Hull Reservoir Wave Energy Converter (HRWEC). The device consists of a floating hull and a flap connected to the shaft of power take-off system (PTO), which is integral to the hull structure. It is unique due to its ability to convert wave energy by utilizing the pitch motion of the hull and rotating flap due to the internal water movement in the hull. Due to the complexity of the internal fluid dynamics, a CFD-based analysis was considered most appropriate. The CFD investigation of the dynamics of the device was done under regular wave conditions by using the ANSYS-AQWA and ANSYS FLUENT. Relative pitch angle variation, the hydrodynamic coefficients, which determine the degree of power extraction, were obtained from simulated results. A simulation was designed exhibiting complete system dynamics for different configurations varying on internal water height. Excellent convergence was observed,and an optimum configuration was identified. It is expected to validate the simulation results through experiments in the foreseeable future.

연구 동기 및 목표

• 컴퓨터 유체역학(CFD)을 활용하여 새로운 헐스 리저보아 어웨이저 에너지 컨버터(HRWEC)의 수중역학적 성능을 평가하기.
• 내부 수량이 에너지 추출 효율성과 장치 동역학에 미치는 영향을 조사하기.
• PeWEC 장치의 실험 데이터와 비교하여 CFD 시뮬레이션 방법의 타당성을 검증하기.
• 에너지 수확을 최대화하기 위해 최적의 내부 수위와 PTO 댐핑 계수를 규명하기.

제안 방법

• 정규 파도 조건 하에서 파도-체계 상호작용 및 수중역학 계수를 시뮬레이션하기 위해 ANSYS-AQWA를 활용하였다.
• 내부 유체의 슬로싱 동역학을 모델링하고 플랩 및 헐스에 작용하는 힘과 모멘트를 추출하기 위해 ANSYS-FLUENT를 사용하였다.
• 성능의 상충 관계를 평가하기 위해 내부 수량을 다양하게 조절한 네 가지 케이스(0–3.5 m³)를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 에너지 추출 최적화를 위해 PTO 댐핑 계수에 따른 에너지 수집 계수를 계산하였다.
• PeWEC 장치의 실험 결과와 비교하여 CFD 모델의 타당성을 검증하였다.
• 난류 영향과 에너지 손실을 분석하여 내부 유체가 시스템 효율에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HRWEC 헐스에 내부 수량을 포함시키는 것이 수중역학적 성능과 에너지 수집 효율성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 정규 파도 조건 하에서 에너지 수집 계수를 최대화하기 위한 최적의 내부 수량은 무엇인가?
• RQ3 PTO 댐핑 계수는 에너지 수집 계수에 어떤 영향을 미치며, 최대 에너지 추출을 위한 최적의 값은 무엇인가?
• RQ4 CFD 시뮬레이션 모델이 실험적 PeWEC 데이터를 기반으로 검증되었을 때, 실제 장치 행동을 얼마나 정확하게 재현하는가?
• RQ5 다양한 수량에서 내부 유체 힘(예: 항력 및 모멘트)은 어떻게 변화하며, 이는 시스템 동역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 내부 수량 3.0 m³를 가진 케이스 3가 최대 53.2%의 에너지 수집 계수를 기록하여 기준 케이스(49.8%) 및 기타 구성보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 에너지 수집 계수는 PTO 댐핑 계수 증가와 함께 처음에는 증가하다가 정점에 도달한 후 감소하는 경향을 보이며, 각 구성에 대해 명확한 최적의 댐핑 값이 있음을 시사한다.
• 내부 수량 2.5 m³인 케이스 2가 기준 케이스 외에서 가장 우수한 성능을 보였으며, 최적 댐핑 조건에서 42%의 에너지 수집 계수를 기록하였다.
• 내부 수량이 없는 기준 케이스는 최대 49.8%의 에너지 수집 계수를 기록하였으며, 이는 실험적 PeWEC 데이터와의 비교를 통해 CFD 모델의 타당성을 확인하였다.
• 내부 유체 포함으로 에너지 손실이 감소하고 수중역학적 힘이 변화하였으며, 수량 증가에 따라 항력은 감소하고 모멘트 행동은 더욱 복잡해졌다.
• 시뮬레이션은 뛰어난 수렴성과 신뢰성을 보였으며, 향후 HRWEC 설계의 실험적 검증을 뒷받침하였다.