FLOW-3D 수치 모델의 검증: 소형 수력 발전소(SHPP) 터빈 취수구 구조의 물리적 유압 모델과의 비교 및 실용적 활용
연구 배경 및 목적
- 문제 정의:
- 드라바 강(Drava River) 유역의 Zlatoličje 수력 발전소(HPP)에서 Melje 소형 수력 발전소(SHPP)의 터빈 취수구 구조물을 건설할 계획이 진행됨.
- 소형 수력 발전소는 생태 유량(Biological Minimum Discharge)을 활용하여 전력을 생산하므로 효율적인 취수구 설계가 필수적.
- 물리적 유압 모델은 비용이 높아 대신 FLOW-3D 기반의 3D 수치 모델을 활용하여 취수구 구조 검증 수행.
- 물리적 모델과 수치 모델을 병행 검증하여 최적 설계 도출.
연구 방법
- 물리적 유압 모델 구축
- 모형 제작:
- Zlatoličje HPP의 도수로(Headrace Channel) 및 SHPP Melje의 취수구 구조를 1:20 축척으로 제작.
- 도수로 구간(길이 120m) 중 상류 39m, 하류 54m 포함하여 취수구와 자유 표면 흐름에서 압력 흐름으로 전환되는 구간까지 재현.
- 경계 조건 설정:
- Zlatoličje HPP 총 유량(QZLAT) = 530 m³/s.
- SHPP Melje 최소 유량(QSHPP) = 20 m³/s (해수면 기준 고도 252.90m).
- SHPP Melje 최대 유량(QSHPP) = 20 m³/s (고도 253.30m).
- 실험은 2003년 현장 유량 측정 데이터 및 2D 수치 모델(SMS-RMA2) 결과를 반영하여 수행.
- 연구 목표:
- 취수구 설계 형태의 유압 효율성 검증 및 최적화 수행.
- 취수구 각 요소(상류 모서리, 하류 모서리, 피어 배치, 취수구 하부 형상)의 수리적 성능 분석.
- 유량 측정, 속도 측정, 수두 분포 측정을 통한 최적 설계 도출.
- 모형 제작:
- FLOW-3D 기반 수치 모델 구축
- 3D 지오메트리 생성:
- ACAD에서 모델링 후 STL 파일로 변환, FLOW-3D 내 유한체적 격자(Finite Volume Mesh) 생성.
- 모델 영역을 3개 블록으로 구분하여 격자 최적화:
- 블록 1: 15,000개 셀 (Δx = 1m, Δy = 1m, Δz = 0.2m).
- 블록 2: 480,000개 셀 (Δx = 0.5m, Δy = 0.5m, Δz = 0.2m).
- 블록 3: 719,200개 셀 (Δx = 0.25m, Δy = 0.25m, Δz = 0.1m).
- 경계 조건 설정:
- 블록 1: 유량 조건 (Vz 유량).
- 블록 2: 실험 모델의 수위 측정값 반영.
- 블록 3: 유량 조건 적용하여 최종 배출 경계 설정.
- 수치 해석 방법:
- RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 적용.
- FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 방법을 이용하여 취수구 형상 정밀 재현.
- VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 활용하여 자유 표면 흐름 해석.
- 3D 지오메트리 생성:
주요 결과
- 물리적 모델 분석 결과
- 상류 모서리(Upstream Corner)
- 초기 설계에서는 소규모 역류(Return Flow) 발생 확인됨.
- 모서리를 둥글게 수정(Rounding-Off)하면 역류가 감소하고 흐름이 원활해짐.
- 피어 배치(Orientation of Piers)
- 초기 설계에서는 중앙 및 하류 피어의 방향이 불규칙하여 난류(Turbulence Zone) 발생.
- 피어 방향을 조정하면 유동 저항 감소 및 수두 손실 최소화 가능.
- 하류 모서리(Downstream Corner)
- 기존 설계에서는 흐름이 분기되면서 정체 영역(Dead Zone) 형성.
- 하류 벽 기하 구조를 조정하여 유동 저항을 줄이고 정체 영역 제거 가능.
- 취수구 하부(Intake Bottom)
- 기존 설계에서는 트래시 랙(Trashrack) 이후 수평 소용돌이(Vortex) 발생.
- 하부를 완만한 기울기로 변경하면 흐름이 원활해지고 압력 손실 감소.
- 상류 모서리(Upstream Corner)
- FLOW-3D 수치 모델 분석 결과
- 수치 모델 결과가 물리적 모델과 유사한 패턴을 보이며 신뢰성 검증됨.
- 취수구 하부 유동을 비교한 결과:
- 기존 설계에서는 트래시 랙 이후 역류 발생.
- 최적화 설계에서는 유선(Streamline)이 원활하게 진행되며 역류 제거됨.
- 속도 분포 비교:
- 3D ADV(Acoustic Doppler Velocimeter) 측정 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과 비교 시 평균 오차 5% 이내.
- 특정 지점에서는 수치 모델이 실측 데이터보다 속도를 과소평가하는 경향 확인됨.
결론 및 향후 연구
- 결론:
- FLOW-3D 수치 모델이 취수구 설계 최적화에 유용하게 활용 가능함을 입증.
- 피어 방향 최적화, 하류 벽 기하 수정, 취수구 하부 형상 변경을 통해 수두 손실 최소화 가능.
- 물리적 모델을 병행 활용하면 정밀한 취수구 설계 검증이 가능.
- FLOW-3D는 최적화 도구로 유용하지만, 정밀한 조정에는 물리적 모델 병행 필요.
- 향후 연구 방향:
- 곡선 좌표 시스템 적용이 가능한 CFD 모델 개발 필요.
- 더 정밀한 유량 조건 설정을 위한 추가 데이터 확보 필요.
- 실제 발전소 운영 데이터와의 비교 연구 수행 필요.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D 기반 수치 모델을 활용하여 소형 수력 발전소의 취수구 설계를 최적화할 수 있음을 입증하였으며, 물리적 모델과의 비교를 통해 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이는 수력 발전소 설계 최적화 및 효율 향상을 위한 실질적인 데이터와 설계 기준을 제공할 수 있다.
Reference
- Mlačnik, J., Vošnjak, S., “Mathematical model of the intake of the SHPP Melje”, Final research report, 2007,
- Vošnjak, S., “Verification of the Flow-3D mathematical model by a physical hydraulic model of a small hydropower plant”, presentation, European FLOW-3D User Meeting 2006, CFD Consultants, Tübingen
- Mlačnik, J., Vošnjak, S., “Optimisation of the intake into the headrace channel of the HPP Soteska by means of the mathematical model”, Final research report 2007,
- Savage, M., Johnson C., “Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study”, Journal of hydraulic engineering, Vol. 127, No. 8, 2001,
- Savage, M., Johnson C., “Physical and Numerical Comparison of Flow over Ogee Spillway in the Presence of Tailwater”, Journal of hydraulic engineering, Vol. 132, No. 12, 2006
- Versteeg, H.K., Malalasekera W., “An introduction to computational fluid dynamics”, Longman Scientific and Technical, 1995