모형시험 결과

제5장 모형시험

5.4 모형시험 결과

5.4.1 자유감쇠운동

모형시험을 수행하기 전에 앞서 부유체의 고유주기 및 감쇠 계수 등의 정보를 얻기 위해서 전후동요(Surge), 상하동요(Heave), 종동요(Pitch)에 대한 자유감쇠운동 실험을 수행하였다. Fig. 5.6은 자유감쇠운동 실험에 대한 전후동요(Surge), 상하동요(Heave), 종동요(Pitch)의 동작의 시계열 값을 나타낸다. 전후동요(Surge)의 고유주기는 112.3초, 상하동요(Heave)의 고유주기는 19.4초, 종동요(Pitch)의 고유주기는 28.9초였다. 상하동 요(Heave)의 고유주기를 제외한 다른 운동은 실제 바다에서 발생하는 파도의 주기인 5~20초 사이의 범위를 벗어났다. 또한 모형시험에 사용된 규칙파의 주기는 5.5~28.46 초 이므로 모형시험을 통해 상하동요(Heave) 고유 주기에서의 부유체의 유체역학적 특 성을 확인할 수 있다.

Fig. 5.6 Natural period of platform

5.4.2 규칙파

10MW급 부유식 해상풍력발전시스템의 동적응답을 예측하고 평가하기 위해 먼저 규 칙파에서 모형시험을 수행하였다. 선박이나 해양 구조물과 같은 부유체는 RAO 값을 계산하여 분석한다. 검은색 실선은 수치해석을 이용하여 계산한 결과이며, 이는 모형시 험에서 수행할 수 없는 저 주파수 영역에 대한 동적응답도 확인할 수 있다. 적색의 점 은 모형시험의 결과 값을 나타내며, 이는 총 10개의 규칙파로 실험을 수행하였기 때문 에, 10개의 점이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그 외에도 분홍색의 수직 점선은 전후 동요(Surge)의 고유 주파수를, 초록색의 수직 점선은 종동요(Pitch)의 고유 주파수를, 파 란색의 수직 점선은 상하동요(Heave)의 고유 주파수를 나타내어 실제 고유주파수에서 의 RAO가 어떻게 변하는지를 쉽게 확인할 수 있다.

Fig. 5.7은 전후동요(Surge)에 대한 LC1(좌)과 LC2(우)의 RAO 그래프이다. 우선 실 험이 가능한 영역에서의 모형시험 결과와 수치해석 결과가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 또한 전후동요(Surge)의 고유 주파수영역인 분홍색의 점선에서는 RAO가 가장 크게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한 바람이 없는 경우, Surge-Pitch coupling[38]

에 해당하는 부분의 RAO는 바람 및 로터 회전이 있는 LC2의 RAO보다 큰 것을 확인 할 수가 있는데, 이는 Aerodynamic damping 현상[39]이 LC1에서는 나타나지 않기 때 문이다.

Fig. 5.7 Surge RAO LC1(left), LC2(Right)

Fig. 5.8은 상하동요(Heave)에 대한 LC1(좌)과 LC2(우)의 RAO 그래프이다. 우선 실 험이 가능한 영역에서의 모형시험 결과와 수치해석 결과가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 상하동요(Heave)의 고유 주파수 영역(파란색 점선)에서 피크가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 상하동요(Heave) RAO에서는 전후동요(Surge) RAO 및 종동요 (Pitch) RAO와는 달리 바람의 유무에 따른 LC1, LC2의 결과가 거의 일치하는 것을 확인할 수가 있다. 이는 Aerodynamic damping 영향을 받지 않기 때문이다.

Fig. 5.8 Heave RAO LC1(left), LC2(Right)

Fig. 5.9는 종동요(Pitch)에 대한 LC1(좌)과 LC2(우)의 RAO 그래프이다. 우선 실험이 가능한 영역에서의 모형시험 결과와 수치해석 결과가 잘 일치하는 것을 확인할 수 있 다. 전후동요(Surge) RAO와 유사하게 바람이 없는 경우와 있는 경우의 그래프가 잘 비교되는 것을 확인할 수 있다. 먼저 종동요(Pitch)의 고유주파수영역에서 LC1보다 LC2에서의 종동요(Pitch) RAO의 크기가 더 작다는 것을 확인할 수 있으며 이는 Aerodynamic damping의 영향을 나타낸다. 또한 LC1, LC2에서의 전후동요(Surge) 고 유주파수 영역에서 Surge-pitch coupling으로 인한 피크를 확인할 수 있다.

Fig. 5.9 Pitch RAO LC1(left), LC2(Right)

규칙파 조건으로의 모형시험 및 수치해석을 통하여 다양한 파 주기와 바람 조건에 대 한 RAO 비교를 하였고, 이를 통하여 Surge-pitch coupling 현상, Aerodynamic damping 현상 등을 확인하였다. Aerodynamic damping 현상으로 인하여 전후동요 (Surge) 및 종동요(Pitch)의 응답이 감소하는 것을 확인하였다.

5.4.3 불규칙파

불규칙파에 대한 그래프는 스펙트럼으로 나타내었다. 모형시험 및 수치해석을 수행한 조건은 파고의 높이에 따라 SS1, SS2, SS3이며 결과 그래프는 유체역학적 하중 특징이 가장 잘 나타나고 있는 SS3로 분석을 진행하였다. Fig. 5.10은 사용한 파도의 스펙트럼 을 나타낸다. LC3는 파도만 있는 조건이며, LC4는 파도와 로터의 회전 등이 있는 조 건이다. 가로축은 주파수를 나타내며 세로축은 에너지 스펙트럼 밀도로 나타내었고, 로 그 스케일로 작성하였다.

Fig. 5.10 Wave spectrum used in LC3 and LC4

Fig. 5.11은 SS3에 대한 세 가지 부유체 운동의 스펙트럼을 나타낸다. 주황색 그래프 는 모형시험의 결과를 나타내고, 파란색 그래프는 1차 유체역학 하중만을 고려한 수치 해석 결과이며, 회색 그래프는 2차 유체역학 하중까지 고려한 수치해석 그래프이다. 이 를 통해 1차 및 2차 유체역학 하중차이가 운동성능에 미치는 영향을 확인할 수 있다.

전후동요(Surge) 응답에서는 1차 유체역학 하중으로 인해 발생한 구조물의 거동변화보 다 2차 유체역학 하중으로 인해 발생한 거동변화가 더 크게 발생하였고, 상하동요 (Heave) 응답에서는 1차와 2차 유체역학 하중에 의한 응답 차이가 작았다. 종동요 (Pitch) 응답에서는 전후동요(Surge)의 고유 주파수에서의 1차와 2차 유체역학 하중에 의한 거동 차이가 발생하였지만, 다른 주파수 영역에서는 유체역학 하중 차수에 의한 차이는 작았다.

파 강제력은 1차와 2차 항으로 분류 할 수 있다. 여기서 2차 항은 입사파 사이의 상 호작용으로 인하여 합-주파수 및 차-주파수 하중을 발생시키기 때문에 하중의 크기는 작을 수 있지만 부유체의 거동변화에 중요한 요소로 작용한다. MARIN에서도 DeepCwind 모형시험을 통하여 유체역학 하중 효과의 중요성을 연구하였다. 2차 유체 역학 하중에 의해 부유식 해상풍력발전시스템의 응답특성이 1차 하중일 때보다 더 큰 거동변화가 나타났고, 이는 2차 유체역학 하중이 구조물 운동에 중요한 하중임을 시사 한다. 합-주파수 하중과 차-주파수 하중은 부유체 등의 고유주기 영역에 포함되어 있 기 때문에, 공진현상으로 더 큰 운동을 야기 시킬 수 있다. 또한, 구조물의 고유주기와

형상에 크게 의존되므로 이에 따라 응답 특성을 분석해야 할 필요가 있을 것이다.

Fig. 5.11 Spectral density of surge, heave and pitch(LC3_SS3, LC4_SS3)