파도 월류형 방파제(OBREC) 장치를 통한 에너지 변환의 수치적 시뮬레이션

연구 배경

  • 문제 정의: 기존의 파력(Wave Energy) 변환 장치는 경제적으로 경쟁력이 부족하며, 건설 및 유지보수 비용이 높음.
  • 목표: 기존 방파제(Breakwater) 구조를 활용하여 파력 에너지를 효율적으로 수집할 수 있는 OBREC(Overtopping Breakwater for Energy Conversion) 장치의 성능을 분석.
  • 접근법: FLOW-3D 기반 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통해 실험 데이터를 검증하고, 파도 월류량(overtopping discharge)을 예측.

연구 방법

  1. OBREC 개요 및 기존 연구
    • OBREC는 전통적인 방파제에 저수조(Reservoir) 를 결합하여 월류하는 파도를 저장하고, 낮은 수두(low-head) 터빈을 통해 전력을 생산하는 개념.
    • 2012~2014년 Aalborg 대학에서 실험을 수행하여 가능성을 입증.
  2. 수치 모델링
    • FLOW-3D를 활용하여 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 및 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용한 자유 표면 계산 수행.
    • 기존 실험 데이터를 바탕으로 JONSWAP 스펙트럼을 적용한 파도 환경을 구성.
  3. 격자 수렴(Mesh Convergence) 분석
    • 7가지 메쉬 크기 비교 → 연산 비용과 정확도의 균형을 고려하여 최적의 메쉬 크기(0.005m)를 선정.

주요 결과

  1. 수치 시뮬레이션 vs 실험 데이터 비교
    • 월류량(overtopping discharge)에 대한 시뮬레이션 결과가 실험값과 높은 일치도를 보임.
    • 단, 수치 모델이 부드러운 방파제 표면을 가정하여 실험보다 다소 높은 월류량 예측.
  2. 수치 시뮬레이션 vs 이론 공식 비교
    • 기존 연구(Vicinanza, 2014)에서 제안한 월류량 예측 공식과 비교 → 유사한 경향성을 보이며 검증됨.
    • 저수조 크기(Rr)가 증가할수록 월류량이 감소하는 경향 확인.
  3. 다른 연구와의 비교
    • Kofoed(2002), EurOtop(2007), Van der Meer(1998) 등의 기존 월류 모델과 비교하여 일관된 결과 도출.
    • 통계 분석 결과, 실험 대비 수치 시뮬레이션의 월류량 예측 오차는 약 6% 이내로 양호한 성능을 보임.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션이 OBREC의 초기 설계 검토에 효과적임을 입증.
  • 실험 대비 비용이 낮고 신속한 예측이 가능, 초기 설계 최적화에 유용함.
  • 향후 연구에서는 방파제 표면 거칠기 및 다공성(Porosity) 요소 추가 등을 통해 더욱 정밀한 모델 개선 필요.

연구의 의의

이 연구는 기존의 실험적 접근법을 CFD 시뮬레이션으로 보완하여, OBREC와 같은 파력 에너지 변환 시스템의 설계 최적화 및 경제성 향상을 위한 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의의가 있다.

Reference

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