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연구 배경

  • 해상풍력 발전 기초는 파랑 조건에 의해 주변 유동이 크게 교란되어 세굴(Scour) 현상이 발생할 수 있다.
  • 기초의 안정성 확보를 위해 세굴 현상을 정확하게 예측하는 것이 필수적이다.
  • 본 연구는 Flow-3D를 활용하여 해상풍력기초(모노파일 및 삼각대 파일) 주변의 세굴현상을 수치해석하였다.

연구 방법

  1. 모형 설정 및 입력 조건
    • 해상풍력기초 형상: 직경이 다른 모노파일(예: D = 5.0 m, d = 1.69 m)과 동일한 직경의 모노파일, 그리고 삼각대 파일 형식을 대상으로 분석.
    • 경계조건: 상류경계에 관측 유속(약 1.066 m/s) 및 극치파랑 조건을 적용하여 세굴현상을 평가.
    • 난류 모형: LES 모형과 RNG 모형을 각각 적용하여 세굴 깊이 및 분포에 미치는 영향을 비교.
  2. 수치 해석 기법
    • Flow-3D 모형을 이용하여 3차원 유동해석을 수행.
    • FAVOR 기법과 VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용해 복잡한 경계와 자유 표면을 정확히 재현.
    • 메쉬 독립성 및 민감도 분석을 통해 계산의 신뢰성을 확보함.

주요 결과

  • 모노파일 분석:
    • 서로 다른 직경의 모노파일에서는 최대 세굴심이 약 4.13 m로 나타났으며, 동일한 직경의 모노파일에서는 하강류가 증가하여 최대 세굴심이 약 7.13 m로 증가함.
    • 이는 동일 직경 모노파일에서 유속이 더욱 빨라지며, 세굴 현상이 심화됨을 시사함.
  • 삼각대 파일 분석:
    • 상류 경계조건으로 관측 유속과 극치파랑 조건을 각각 적용한 결과, 극치파랑 조건에서는 최대 세굴심이 약 1.3배 정도 더 깊게 발생함.
  • 난류 모형 비교:
    • LES 모형을 적용한 경우, 세굴심이 일정 시간이 경과하면 평형상태에 도달함.
    • 반면, RNG 모형은 전체 해석 영역에서 계속해서 세굴현상이 발생하여 평형상태에 도달하지 않음.
    • 따라서 해상풍력기초 세굴 해석에는 LES 모형과 극치파랑 조건의 적용이 타당함.

결론 및 향후 연구

  • 해상풍력기초에 대한 세굴현상 분석에서는 동일 직경 모노파일보다 서로 다른 직경의 파일 형식이 기초 안정성 측면에서 유리할 수 있음.
  • LES 난류 모형과 극치파랑 조건을 적용하는 것이 실제 세굴현상을 더 정확하게 예측할 수 있음을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 해양 파랑 조건 및 추가 난류 모형 비교를 통해 보다 정밀한 세굴예측 모델을 개발할 필요가 있음.

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Analysis of Scour Phenomenon around Offshore Wind Foundation using Flow-3D ModelDownload