Study on Performance Improvement of a Flapping-foil Hydrokinetic Turbine of Parallel Configuration

Sang Chul Lee; Dasom Jeong; Jin Hwan Ko

doi:10.4217/OPR.2026002

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Article

Ocean and Polar Research. 15 January 2026. 1-11
https://doi.org/10.4217/OPR.2026002

Study on Performance Improvement of a Flapping-foil Hydrokinetic Turbine of Parallel Configuration

진동익 유체동력 터빈의 병렬 배치에 따른 성능 향상 연구

Sang Chul Lee¹

Dasom Jeong¹

Jin Hwan Ko¹^*

이 상철¹

정 다솜¹

고 진환¹^*

¹Department of Mechanical System Engineering, Jeju National University, Jeju 63243, Korea

¹제주대학교 기계시스템공학과 (63243) 제주특별자치도 제주시 제주대학로 102

^{*Corresponding Author}

License (open-access, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0):

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ABSTRACT

In this study, we performed 2D simulations with varying separation distances to determine the influence of ground effect on the efficiency of parallel-configured flapping-foil hydrokinetic turbine. The efficiency was highest at 38.38% in the case of the closest distance (d/c = 2.0), which was 2.32% higher than the case of the farthest distance (d/c = 4.0) and 10.49% higher than the case of a single turbine. In all cases, lift contributed the most to the power, at over 80%, and moment contributed mainly in the phase where the direction of heave motion changed. The increase in efficiency due to ground effect occurs mainly in the leaving phase, and the pressure increase on the lower surface due to the blockage effect and the pressure decrease due to the leading edge vortex on the upper surface were the main causes in the early and later stages, respectively.

Keywords

flapping-foil turbine

interaction

ground effect

performance improvement

computational fluid dynamics

MAIN

1. 서 론
2. 재료 및 방법
진동익 터빈
수치해석 방법
성능 평가 지표
3. 결과 및 토의
4. 결 론

1. 서 론

에너지 수요 증가와 기후 변화 위기 대응을 위해 전세계적으로 지속 가능한 신재생에너지 기술 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에서도 하천이나 조류에서 얻을 수 있는 물의 운동 에너지를 변환하여 전기 에너지를 생산하는 유체동력 터빈(hydrokinetic turbine)에 관한 기술은 계절이나 날씨의 영향을 거의 받지 않기 때문에 연속적이고 예측 가능한 발전이 가능하고, 환경에 미치는 영향이 적어 지속가능성의 측면에서 그 잠재성을 인정받고 있다.

유체동력 터빈은 블레이드 또는 수중익(hydrofoil)에 작용하는 항력 및 양력을 이용하여 발전하는 기계 장치로서 크게 수평축, 수직축 그리고 진동익(flapping-foil) 터빈으로 구분된다. 회전식 터빈(rotary turbine) 중 하나인 수평축 터빈은 오랜 기간의 연구를 통해 높은 효율을 보여주고 있지만, 주로 높은 유속과 깊은 수심이 확보될 수 있는 환경에서 설치 및 운용이 가능하고 구조적 복잡성에 의해 유지관리에 어려움이 발생할 수 있다. 이에 반해 진동익 터빈은 상대적으로 낮은 유속과 수심에 대해서도 설치 및 운용이 가능하고 구조가 단순하여 유지관리가 상대적으로 수월할 수 있고, 최적의 설계조건에서 회전식 터빈에 상응하는 높은 효율을 보일 수 있는 가능성으로 인해 활발히 연구가 진행되고 있다(Liu et al. 2025).

진동익 터빈의 개념은 McKinney와 DeLaurier의 실험을 통해 처음으로 제안되었고(McKinney and DeLaurier 1981), 초기연구에서는 단일 진동익을 대상으로 감소주파수(reduced frequency), 피치각(pitch angle), 히브거리(heave distance), 피치-히브 운동의 위상차(phase difference) 등의 운동학적 변수(kinematic parameter)들의 변화가 터빈의 성능에 미치는 영향이 주로 연구되었다(Dumas and Kinsey 2006). 이후 수중익(hydrofoil)의 유연성(flexibility)이 성능에 미치는 영향(Lin and Wu 2019; Zhang et al. 2022), 수중익의 운동궤적(trajectory)에 따른 성능변화(Boudis et al. 2021; Wang et al. 2022; Zhou et al. 2023) 등 진동익 터빈의 성능을 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되었다.

또 다른 방향으로 진동익 터빈의 실증화와 규모확대를 위해 복수의 진동익을 이용하여 진동익 간의 상호작용에 따른 성능향상에 대한 연구가 진행되었다. 이러한 연구는 복수의 진동익에 대한 배치방법, 수중익 간의 이격 거리(separation distance) 및 위상차(global phase difference)에 따른 성능의 변화를 파악하기 위해 수행되었고, 주로 직렬배치(tandem configuration) 터빈에 있어서 전방익(front foil)과 후방익(rear foil)의 상호작용 및 전방익에 의해 발생하는 후류(wake)와 후방익 간의 상호작용에 대한 연구가 먼저 진행되었다(Lan and Sun 2001; Xu et al. 2019; Zhao et al. 2023).

진동익 터빈의 병렬배치(parallel configuration)에 대한 연구는 최근에 활발히 진행되고 있다. 2020년 Zhu는 레이놀즈수 10,000에서 수중익 간의 위상차를 180도로 설정하고 이격 거리의 변화에 따른 터빈의 성능을 연구하였고(Zhu and Zhang 2020), 2022년 Zheng은 레이놀즈수 1,000에서 수중익 간의 위상차와 이격 거리를 다양하게 변화시켜가며 연구를 진행하였다(Zheng and Bai 2022). 하지만, 이 두 연구에 적용된 레이놀즈수는 진동익 터빈이 운용되는 실제 조건과 큰 차이가 있다. 2024년 Mo는 실제 조건과 유사한 레이놀즈수 500,000에서 수중익 간의 위상차를 180도로 설정하고 지면효과가 극대화되는 매우 작은 이격 거리에서의 성능변화를 연구하였는데(Mo et al. 2024), 이 연구에 적용된 매우 작은 이격 거리로 인해 실제 운용 시 간섭이나 불균형 부하 등의 어려움을 야기할 수 있다.

저자의 과거 연구에서도 수중익에 유연성을 적용한 성능향상(Le and Ko 2015), 우측 회전형(right-swing) 운동궤적을 적용한 안정성과 출력 효율의 향상(Le Dang et al. 2022), 직렬배치 터빈의 수중익 간의 위상차와 이격 거리에 따른 성능변화(Jeong et al. 2023; Jeong and Ko 2025) 등 다양한 연구를 수행하였고, 본 연구에서는 최적의 배치안을 도출하기 위한 후속 연구로 현실 조건에 부합하는 레이놀즈수와 수중익 간의 이격 거리를 적용하여 지면효과(ground effect)를 고려한 병렬배치(parallel configuration) 터빈의 성능 영향을 확인하고자 한다.

2. 재료 및 방법

진동익 터빈

본 연구에 사용된 우측 회전형 운동궤적을 가진 병렬배치 진동익 터빈을 그림 Fig. 1에 나타내었다. 수중익은 NACA0015의 형상을 사용하였고, 지면효과를 고려하기 위해 상부익(upper hydrofoil)과 하부익(lower hydrofoil)의 운동에 대한 위상차는 피치와 히브 운동 모두 서로 반대방향으로 움직이도록 180도로 설정하였다. 상부익과 하부익은 각각 코드(chord)길이 만큼의 히브 거리(h₀)와 70도의 피치각(θ₀)을 갖으며, 두 운동 간의 위상차는 90도로 설정하였고 감소주파수(f* = fc/U)는 0.12로 설정하였다. 선정된 피치각과 감소주파수는 단일 진동익 터빈에 적용 시 최적 효율 영역에 속하는 값으로 알려져 있다(Dumas and Kinsey 2006; Jeong and Ko 2025). 피치 운동의 중심축(X_P)은 수중익의 선단(leading edge)으로부터 코드길이의 25% 위치로 설정하였고, 이 중심축이 우측 회전형 운동궤적을 갖도록 하였다. 끝으로 두 수중익의 최소 간격(d)은 지면효과가 나타나기 시작하는 지점(d/c = 4)부터 최대효과구간이 시작되는 지점(d/c = 2)까지로 설정하였다(Qu et al. 2015). 그리고 진동익에 대한 세부사항들을 Table 1에 정리하였다.

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Fig. 1.

Parallel configuration of flapping hydrofoil turbine with right-swing trajectory

Table 1.

Specification of parallel flapping hydrofoil turbine

Section profile	NACA0015
Chord length (c)	200mm
Pitching axis (X_P)	0.25c
Heave amplitude (h₀)	1c
Pitch angle (θ₀)	70deg
Phase differences Upper and lower foils Heave and pitch motions	180deg 90deg
Reduced frequency (f* = fc/U)	0.12
Minimum gap (d)	2.0c~4.0c (Δ = 0.5c)

수치해석 방법

수치해석에 사용된 코드는 비정상(unsteady) 3차원 나비에-스톡스 방정식을 적용한 내부개발코드(in-house code)로, 본 연구에서는 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) 모델을 기반으로 2차원 해석을 진행하였다. 또한, 코드의 신뢰성에 대해서는 저자의 진동익 터빈과 관련된 이전 연구들에서 이미 검증되었다(Le and Ko 2015; Le Dang et al. 2022; Jeong et al. 2023; Jeong and Ko 2025).

전체 유동장 영역은 가로방향으로 50c, 세로방향으로 30c의 크기로 설정하여 진동익의 후류가 해석 영역의 경계를 간섭하지 않도록 하였고, 내부에 가로방향으로 10c, 세로방향으로 12c의 크기로 격자를 조밀하게 배치한 영역을 포함하고 있다. 이는 진동익의 운동을 구현하기 위해 적용한 중첩 격자(overset grid)에 대해서 정확한 보간(interpolation)이 이루어지도록 하기 위함이다. 전체 해석 영역을 확인할 수 있는 그림에 경계조건을 표시하여 Fig. 2에 나타내었다. 유동장 외곽의 경계에는 자유흐름(free stream) 경계조건을 적용하였고, 수중익의 표면 및 중첩격자의 끝단에는 점성벽(viscous wall) 경계조건과 중첩(overset) 경계조건을 각각 적용하였다.

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Fig. 2.

Computational domain extent and boundary conditions

유동장 격자는 약 33만개의 직사각형 격자로 구성하였고, 수중익 주변의 중첩 격자는 약 6만개의 직사각형 격자를 사용하여 총 45만개의 격자계로 구성하였다. 중첩 격자 중 수중익의 표면에 인접한 첫 번째 격자의 높이는 1 × 10^-4 m (y + ~5)로 맞추었고, 격자의 조밀도 및 품질에 대한 설정은 모두 직렬 배치 터빈에 대한 이전 연구(Jeong and Ko 2025)와 동일하게 설정하였다. 본 연구의 해석에 사용된 격자의 형상을 Fig. 3에 나타내었다.

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Fig. 3.

Background and overset grid system

해석의 설정은 실해역 조건에 근접한 레이놀즈수 268,587을 기준으로 자유흐름의 속도를 1.2 m/s로 설정하였고, 해석의 안정성과 정확도를 위해서 시간 전진 간격은 수렴성 테스트의 결과를 바탕으로 수중익의 운동 주기를 400등분( $∆ t = T / 400$ )한 0.020833초(CFL~5)로 설정하였다. 작동 유체의 밀도와 점성계수는 각각 997.13 kg/m³과 8.91×10^-4Pa·s로 설정하였고, 난류 모델은 k-ω Wilcox-Durbin+ (WD+)모델(Park and Kwon 2004)을 사용하였다. 해석에 사용된 설정과 파라미터들을 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

CFD setup and flow parameters

Reynolds number	268,587
Free stream velocity (U)	1.2 m/s
Time step size ( $∆ t = T / 400$ )	0.020833 sec
Density (ρ)	997.13 kg/m³
Dynamic viscosity (μ)	8.91×10^-4Pa·s
Turbulence model	k-ω WD+

성능 평가 지표

본 연구의 성능 평가 지표로는 효율(power efficiency)이 사용되었고 다음과 같이 정의될 수 있다. 먼저, 자유 흐름에 대한 수직 및 수평 방향의 힘인 양력( $F_{y}$ )과 항력( $F_{x}$ )은 각각의 계수 $C_{y}$ 와 $C_{x}$ 를 이용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(1)

F_{y} (t) = \frac{1}{2} C_{y} ρ b c U^{3}

(2)

F_{x} (t) = \frac{1}{2} C_{x} ρ b c U^{3}

여기서 b는 수중익의 스팬(span)방향 길이로서, 코드 길이의 2배(2c)로 설정되었다. 다음으로, 피치의 중심축에 대한 모멘트( $M_{z}$ )는 다음과 같이 표현할 수 있다.

(3)

M_{z} (t) = \frac{1}{2} C_{m} ρ b c^{2} U^{3}

그러므로, 세 힘에 의한 전체 동력( $P$ )와 평균 동력( $\bar{P}$ )는 각각 다음과 같이 표현될 수 있다.

(4)

P (t) = F_{x} (t) \dot{x} (t) + F_{y} (t) \dot{y} (t) + M_{z} (t) \dot{θ} (t)

(5)

\bar{P} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} [F_{x} (t) \dot{x} (t) + F_{y} (t) \dot{y} (t) + M_{z} (t) \dot{θ} (t)] d t

마지막으로, 효율( $η$ )은 각 수중익의 평균 동력의 합( ${\bar{P}}_{S}$ )과 이용 가능한 동력( $P_{a}$ )를 이용하여 다음과 같이 표현할 수 있다.

(6)

η = \frac{{\bar{P}}_{S}}{P_{a}} = \frac{{\bar{P}}_{u} + \bar{P_{l}}}{P_{a}}

(7)

P_{a} = 0.5 ρ U^{3} b H

여기서 ${\bar{P}}_{u}$ 와 ${\bar{P}}_{l}$ 은 상부익과 하부익의 평균 동력을 의미하고, 각 수중익의 H는 히브운동에 대한 최대 이동(sweep) 거리를 의미한다.

3. 결과 및 토의

격자 및 시간 간격에 대한 검증은 수중익의 형상, 운동학적 변수 및 유동 조건 등이 모두 동일한 이전 연구(Jeong and Ko 2025)에서 진행했던 격자 및 시간 간격에 대한 수렴성 테스트의 결과를 통해 확인하였다. 그 결과 수중익 주변의 중첩 격자를 약 6만개로 구성하고, 시간 간격을 주기의 400분의 1로 설정한 경우가 선정되었다. 그리고 이 때의 단일 터빈에 대한 효율은 27.89%였다.

병렬배치 터빈의 성능을 확인하기 위해 총 5 case의 해석을 진행하였고, 그 결과를 Fig. 4와 Table 3에 정리하였다. 두 수중익이 가장 가깝게 접근했을 때의 거리(d)와 코드 길이(c)의 비율이 작아질수록 지면효과로 인해 효율이 증가하는 것을 확인하였고, 이격 거리가 가장 작은 Case 1 (d/c = 2.0)의 효율은 38.38%로 Case 5 (d/c = 4.0)의 효율 36.06%에 비해 2.32% 증가하였고, 단일 터빈의 효율 27.89%에 비해 10.49% 증가하였다. 동력의 관점에서 살펴보면, 항력에 의한 성분( ${\bar{P}}_{x}$ )은 음의 값을 갖지만 크기가 매우 작아 전체 동력에 미치는 영향이 미미한 것으로 나타났고, 양력에 의한 성분( ${\bar{P}}_{y}$ )이 전체 동력의 80%이상을 차지하여 지배적인 성분으로 확인되었다. 또한, 각 동력 성분들의 이격 거리에 따른 경향을 살펴보면, 이격 거리가 감소할수록 ${\bar{P}}_{x}$ 를 제외한 각 동력 성분들이 크기는 단조증가하는 경향을 보였다. Fig. 4에서 두 수중익의 간격이 작아질 수록 효율이 변화하는 기울기가 가파르게 나타나고 있는데, 이는 지면효과가 d/c = 2.0 근처에서 본격적으로 나타나고 d/c = 4.0 근처에서 크게 약해지는 이전 연구의 내용과 잘 부합하는 결과라고 할 수 있다(Qu et al. 2015).

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Fig. 4.

Efficiencies of flapping hydrofoil turbine in parallel configuration

Table 3.

Case setup and numerical results

Case	d/c	Efficiency (%)	(W)	${\bar{P}}_{x}$ (W)	${\bar{P}}_{y}$ (W)	${\bar{P}}_{θ}$ (W)
1	2.0	38.38	69.60	-2.16	56.96	14.80
2	2.5	37.28	67.59	-2.24	56.23	13.60
3	3.0	36.52	66.24	-2.29	55.59	12.94
4	3.5	36.25	65.73	-2.27	55.40	12.60
5	4.0	36.06	65.39	-2.24	55.16	12.47

지면효과의 특성을 파악하기 위해 수중익 간의 간격이 가장 작은 Case 1 (d/c = 2.0)에 대해서 1주기 동안의 항력, 양력, 모멘트 및 동력 곡선을 Fig. 5에 나타내었다. 운동의 위상차가 없는 항력에 대해서는 상부익과 하부익의 결과가 동일하게 나타난 반면, 운동의 위상차가 180도인 양력과 모멘트에 대해서는 상부익과 하부익의 결과가 완벽한 대칭으로 나타났다. 이는 일반적으로 지면효과에 대한 연구를 진행할 때 대칭면을 적용하여 전체 영역의 절반만 사용하는 방법이 타당함을 보여주는 결과이다. 추가로 Fig. 5에 도시된 모든 곡선에서 상부익과 하부익이 접근하는 구간(0.25 < t/T < 0.75)의 절대값 크기보다 멀어지는 구간의 절대값 크기가 더 크게 비대칭적으로 나타났고, 특히 양력과 모멘트에 있어서는 두 수중익이 최대한 멀어졌다가 접근하기 시작하는 부분(t/T = 0.25)에서 가장 큰 피크가 나타나는 것을 확인하였다.

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Fig. 5.

Comparison of forces, moment and power between upper and lower foils of case 1 (d/c = 2.0) ((a): Drag, (b): Lift, (c): Moment, (d): Power)

수중익의 이격 거리에 의한 영향을 보다 자세히 비교하기 위해 이격 거리가 가장 작은 Case 1 (d/c = 2.0)과 가장 큰 case 5 (d/c = 4.0)에 대해서 1주기 동안의 항력, 양력, 모멘트 및 동력 곡선을 Fig. 6에 나타내었다. 먼저 항력, 양력 및 모멘트의 크기를 살펴보면, 수중익이 접근하는 구간(0.25 < t/T < 0.75)에서는 Case 간의 차이가 미미하게 나타났지만 멀어지는 구간에서는 이격 거리가 작은 Case 1의 값들이 확연히 크게 나타났고, 특히 두 수중익이 가장 멀어지는 구간(0 < t/T < 0.25)에서 차이가 크게 나타났다. 이러한 결과는 레이놀즈수가 크고 감소주파수가 작을 때, 두 수중익이 멀어지는 구간에서 힘, 모멘트 및 동력의 차이가 증가하는 이전 연구의 결과들과 잘 부합한다(Zhu et al. 2020; Mo et al. 2024).

다음으로 동력에 대한 각 힘들의 기여도를 살펴보면, 동력은 2.3절에 나타낸 식 (4)와 같이 힘과 속도(또는 모멘트와 각속도)의 곱으로 표현되는 값이므로 힘의 크기도 중요하지만 속도와의 방향 일치도 중요하다. 힘과 속도의 방향(부호)이 일치해서 유효한 동력을 얻을 수 있는 구간이 길수록 효율이 커지기 때문이다. 항력 그래프에서는 거의 전구간에 걸쳐서 힘과 속도의 방향이 반대로 나타나서 동력을 손실(음의 부호)시키는 경향이 나타났고, 모멘트 그래프에서는 두 수중익이 가장 멀어지는 때(t/T = 0.25)와 가장 접근하는 때(t/T = 0.75) 주변에서만 힘과 속도의 방향이 잘 일치하는 것으로 나타났다. 양력 그래프에서는 거의 전구간에 걸쳐 힘과 속도의 방향이 일치하였고, 수중익의 운동방향(속도)이 바뀌는 두 지점(t/T = 0.25와 0.75)에서만 방향이 일치하지 않거나 속도가 0이 되어 동력에 대한 기여도가 크게 감소하게 된다. 그러므로 주기 전체에 걸쳐 동력에 기여하는 주된 성분은 양력이고, 양력이 기여하지 못하는 두 지점(t/T = 0.25와 0.75)에서 나타나는 동력의 피크는 모멘트가 주로 기여하는 것으로 판단할 수 있다.

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Fig. 6.

Comparison of forces, moment and power of case 1 (d/c = 2.0) and 5 (d/c = 4.0) ((a): Drag, (b): Lift, (c): Moment, (d): Power)

지면효과로 인한 유동장의 변화를 확인하기위해 Case 1 (d/c = 2.0)과 Case 5 (d/c = 4.0)의 압력 분포와 와류(vortex) 분포를 비교하여 각각 Fig. 7과 Fig. 8에 나타내었다. 병렬배치 터빈의 경우 상부익과 하부익의 결과가 대칭으로 나타나므로, 상부익 주변의 유동장만 나타내었다. 지면효과로 인한 동력의 차이는 두 수중익이 멀어지는 구간에서 크게 나타나므로, 이 구간 중에서 다섯 시점(t/T = 0.75, 0.875, 1.0, 0.125 및 0.25)을 선택하여 비교하였다. 수중익이 최대한 접근하는 t/T = 0.75에선, 수중익 아랫면의 압력 분포는 비슷하지만 윗면의 압력을 비교할 때 Case 5의 압력이 더 커서 아랫방향으로 작용하는 음의 양력의 크기가 더 크게 나타났고, Case 5의 후단(trailing edge) 윗면에 작용하는 압력의 크기가 더 커서 반시계방향으로 작용하는 음의 모멘트의 크기가 더 크게 나타났다. 이는 Fig. 8에서 확인할 수 있듯이 강한 선단 와류가 후단에 위치하게 되어 발생한 현상으로, 반시계 방향으로 회전 전환하는 시점과 일치하게 되어 모멘트에 의한 동력 기여가 가능케 되었다. 수중익이 멀어지기 시작하는 t/T = 0.875에선, 아랫면의 선단 와류가 이탈하여 압력이 회복되고 상대적으로 유로가 좁은 Case 1의 압력이 차폐효과(blockage effect)로 인해 더 크게 증가하여 윗방향으로 작용하는 양의 양력이 더 크게 나타났고, 후단 아랫면에도 더 높은 압력이 작용하게 되어 시계방향으로 작용하는 양의 모멘트가 더 크게 나타났다. 수중익이 멀어지는 중간지점인 t/T = 1.0 (또는 0.0)에선, 차폐효과가 약해져 Case 1과 Case 5의 압력 및 와류 분포의 차이가 미미하여 양력과 모멘트가 유사하게 나타났고, 선단에서 생성되기 시작하는 와류 강도가 Case 1에서 더 큰 것을 확인할 수 있다. 수중익이 더 멀어지는 지점인 t/T = 0.125에선, Case 1의 윗면에 부착된 선단 와류의 강도가 더 큰 이유로 더 낮은 압력이 작용하여 양의 양력이 더 크게 나타났고, 후단에서도 윗면에 작용하는 압력이 더 작아서 양의 모멘트가 더 크게 나타났다. 마지막으로 두 수중익이 가장 멀어지는 t/T = 0.25에선, 선단 와류에 의해 윗면의 압력이 크게 낮아지고 후단 아랫면에 작용하는 압력이 크게 높아진 Case 1이 Case 5에 비해서 현격히 큰 양의 양력과 양의 모멘트를 나타내는 것을 확인하였다. 이는 또한 시계방향으로 회전 전환하는 시점에 발생하는 양의 모멘트로 인해 모멘트의 동력 기여가 가능하게 되었다. t/T = 1.0에서 t/T = 0.2까지의 선단 와류 생성과 후단으로 이동 경향은 두 경우가 유사하나, 강도 면에서 Case 1이 더 크게 되어 동력 추출 성능에서 차이가 발생한 것으로 판단된다.

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Fig. 7.

Pressure distributions of case 1 (d/c = 2.0) and case 5 (d/c = 4.0) at t/T = 0.75, 0.875, 1.0, 0.125 and 0.25 ((a): Case 1, (b): Case 5)

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Fig. 8

Vortex distributions of case 1 (d/c = 2.0) and case 5 (d/c = 4.0) at t/T = 0.75, 0.875, 1.0, 0.125 and 0.25 ((a): Case 1, (b): Case 5)

4. 결 론

본 연구에서는 구조적 간섭 등의 위험을 회피하며 실제 구조물에 적용 가능한 범위(2.0 ≤ d/c ≤ 4.0)에서 이격 거리에 따른 병렬배치 터빈의 성능향상을 확인하기 위해 내부개발 코드를 사용하여 2D 수치해석을 진행하였고, 이격 거리가 작을수록 지면효과가 크게 나타나 효율이 향상되었다. 그 결과, 이격 거리가 가장 작은 Case 1 (d/c = 2.0)의 효율은 38.38%로, 이격 거리가 가장 큰 Case 5 (d/c = 4.0)의 효율 36.06% 보다 2.32% 높게 나타났고 단일 터빈의 효율 27.89% 보다는 10.49% 높게 나타났다.

동력면에서 살펴보면, 항력은 힘과 속도의 방향이 거의 모든 구간에서 일치하지 않아 유효한 동력을 제공할 수 없는 반면 양력은 힘과 속도의 방향이 거의 모든 구간에서 일치하여, 유효한 동력은 주로 양력이 제공하는 것을 확인하였다. 한편으로 양력은 히브운동의 방향이 바뀌는 시점에서 힘과 속도의 방향 불일치로 동력에 대한 기여도가 급감하게 되는데, 이 시점에서는 모멘트의 힘과 방향이 일치하여 유효한 동력을 제공하였다. 모든 이격 거리에서 동력에 대한 양력의 기여도가 80% 이상이었고, 모멘트의 기여도는 20% 이하였다.

지면효과로 인한 효율 증가는 주로 두 수중익이 멀어지는 구간에서 나타났다. 구간 초반에는 차폐효과로 인해 수중익의 아랫면에 압력이 크게 증가하는 것이 양력 증가의 주요 원인이었고, 후반으로 갈수록 수중익의 윗면에 부착된 선단 와류로 인해 윗면이 압력이 크게 감소하는 것이 양력 증가의 주요 원인으로 확인되었다.

향후에는 이전에 진행된 직렬배치 터빈의 성능에 대한 연구결과와 본 연구에서 진행한 병렬배치 터빈의 성능에 대한 연구결과를 바탕으로 직병렬 혼합배치 터빈에 대한 성능향상 및 최적의 설계안 도출을 위한 연구를 진행할 것이다.

Acknowledgements

본 연구는 2025년도 제주대학교 교원성과지원사업에 의하여 연구되었습니다.

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Ocean and Polar Research ISSN:2234-7313(Online) Ocean and Polar Research

Preview

Study on Performance Improvement of a Flapping-foil Hydrokinetic Turbine of Parallel Configuration

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Parallel configuration of flapping hydrofoil turbine with right-swing trajectory

Table 1.

Specification of parallel flapping hydrofoil turbine

Fig. 2.

Computational domain extent and boundary conditions

Fig. 3.

Background and overset grid system

Table 2.

CFD setup and flow parameters

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

Fig. 4.

Efficiencies of flapping hydrofoil turbine in parallel configuration

Table 3.

Case setup and numerical results

Fig. 5.

Comparison of forces, moment and power between upper and lower foils of case 1 (d/c = 2.0) ((a): Drag, (b): Lift, (c): Moment, (d): Power)

Fig. 6.

Comparison of forces, moment and power of case 1 (d/c = 2.0) and 5 (d/c = 4.0) ((a): Drag, (b): Lift, (c): Moment, (d): Power)

Fig. 7.

Pressure distributions of case 1 (d/c = 2.0) and case 5 (d/c = 4.0) at t/T = 0.75, 0.875, 1.0, 0.125 and 0.25 ((a): Case 1, (b): Case 5)

Fig. 8

Vortex distributions of case 1 (d/c = 2.0) and case 5 (d/c = 4.0) at t/T = 0.75, 0.875, 1.0, 0.125 and 0.25 ((a): Case 1, (b): Case 5)

Acknowledgements

References