Department of Civil Engineering Chonbuk National University

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1 Department of Civil Engineering Chonbuk National University
2016년도 차세대 에너지융합 특성화 사업단 특별학기 풍력 발전 시스템 : 풍력 터빈 출력 성능 시험 Wind Turbine Generator Systems : Wind Turbine Performance Testing 2016년 01월 28일 담당 교수 : 정 회 갑 Department of Civil Engineering Chonbuk National University

2 풍력발전기 성능평가 항목 출력성능 소음 바람으로부터 추출할 수 있는 전력량이 얼마인지 확인
측정된 출력으로부터 출력계수(효율)를 구하여 평가 IEC : Wind turbine generator systems-wind turbine power performance testing IEC : Power performance measurements of electricity producing wind turbine 소음 친환경적이라는 재생에너지의 명성에 맞지 않는 소음문제 유발 설치 장소 주민에게 불쾌감 유발 : 민원문제 발생 풍력발전기 보급에 장애 요인으로 작용 IEC : Wind turbine generator systems-Acoustic noise measurement technique

3 풍력발전기 성능평가 항목 하중 전력 품질 풍력발전기에 작용하는 기계적 하중측정 측정하중 케이스 측정하중
작동개시, 정상가동, 고장 상태, 그리드 연계 상실 등 측정하중 블레이드 루트, 로터 하중(요잉 모멘트, 로터 토크 등), 타워 하중 등 IEC : Wind turbine generator systems-measurement of mechanical loads 전력 품질 IEC : measurement and assessment of power quality characteristics of grid connected wind turbines

4 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 1차원 운동량 이론 (one-dimensional momentum theory)
풍력터빈의 날개에 작용하는 힘과 출력을 구하기 위한 가장 기초적인 모델 풍력터빈의 날개를 회전하지 않는 디스크로 가정 디스크는 날개가 무수히 많은 경우 에너지 손실 없이 단순히 바람으로부터 에너지만 뽑아내는 장치로 간주 1차원 모델로 터빈의 축방향과 일치한 바람의 진행방향에서 속도와 압력의 변화를 고려 날개 회전에 의해 발생하는 원주방향의 속도 및 날개에 작용하는 토크는 고려치 않음 질량보존 법칙, 운동량이론, 베르누이 방정식에 기초 바람의 가정 정상상태 – 물체의 상태가 시간에 의해 변화하지 않는 상태, 유체의 흐름이 일정 비압축성 – 압력이 가해져도 체적의 변화가 없는 유체 비점성 – 유체의 유동시 마찰저항이 존재하지 않는 유체

5 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 풍력발전기 출력 유도 압력 가정 베르누이 방정식 디스크 면에 작용하는 압력은 균일
터빈에서 상당한 거리의 전방과 후방에서 바람의 정압은 주변 압력(대기압)과 같음 풍력발전기 출력 유도 베르누이 방정식 유체에서 일을 하거나, 유체가 외부로 일을 하지 않으면 운동에너지, 위치에너지 및 정압으로 이루어진 총 에너지는 항상 일정

6 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 풍력발전기에 접근하는 바람 베르누이 방정식에서 위치에너지 일정
터빈으로 인하여 점점 감속 질량보존 법칙에 의해 차지하는 단면적이 넓어 짐 터빈을 통과하기 전이기 때문에 한일은 없고 단지 속도만 감소 베르누이 방정식에서 위치에너지 일정 총 에너지의 일정을 만족하기 위해서 정압 증가 속도가 감소되는 부분부터 정압은 대기압보다 크게 됨

7 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 디스크로 가정한 터빈 날개를 통과하면서 바람 속도의 변화는 없다
터빈이 얻은 출력으로 인하여 정압은 감소 후방에서 정압은 대기압보다 낮다 터빈 후방에서 바람의 흐름을 후류라 함 후류에서 바람의 속도는 계속 감소하며 바람의 정압이 대기압과 같게 될 때까지 바람의 속도는 감소 터빈으로부터 뺏긴 후의 에너지를 유지하기 위해 속도는 감소됨 공기의 질량유량(mass flow)은 일정하지만 공기의 속도가 감소하기 대문에 면적이 넓어짐

8 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 결과적으로 바람의 정압은 대기압으로 회복, 단지 바람의 속도만 감소하여 (V1 -> V2) 운동에너지의 감소 발생 즉, 풍력터빈은 바람의 운동에너지 감소를 이용하여 회전 함 질량 보존 법칙으로부터 공기의 질량유량(mass flow) 디스크 전방에서 디스크까지 사이에서 속도변화를 나타내기 위해 a 도입 a는 축방향 속도변화 인자(axial induction factor) (1) (2) (3)

9 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 (4) (5) (6) (7)
디스크를 통과하는 바람에 의해 가해지는 힘(추력) ->바람의 운동량 변화 힘=질량흐름 X 속도 힘은 전방과 후방의 바람 속도의 함수 V1은 쉽게 구할 수 있지만 V2는 출력에 따라 변하는 값으로 구하기 힘듬 식 (4)와 같은 힘을 나타내는 또 다른 표현 디스크에 작용하는 힘은 디스크 앞면과 뒷면에 작용하는 압력 차이로부터 베르누이 방정식을 디스크 전면에 적용하면 후면에 적용 (4) (5) (6) (7)

10 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 (8) (9) (10) (11)
식 (6)에서 (7)을 빼면 다음과 같은 압력 차이에 대한 식을 얻을 수 있다. 식 (8)을 식 (5)에 대입하고 식 (4)와 같게 놓으면 속도에 대한 관계식을 얻을 수 있다. 따라서 식 (10)을 식 (4)에 대입하면 디스크에 작용하는 힘은 터빈 전방의 바람 속도의 함수로 나타낼 수 있다. (8) (9) (10) (11)

11 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 Power=force x velocity이므로 바람으로 부터 얻을 수 있는 출력은 식 11의 힘에 풍속을 곱하여 다음과 같다. 전방의 바람속도(V1) 가지는 운동에너지가 풍력터빈의 날개를 회전시키는데 전부 소진 된다면 터빈의 후방에서 바람의 속도V2는 0이 된다. 이 때 변환된 바람의 운동에너지는 다음과 같고, 이는 바람으로 부터 얻을 수 있는 최대출력이다. 이 최대출력과 실제 풍력발전기의 출력의 비를 출력계수라 하며 다음과 같다. (12) (13) (14)

12 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 (15) (16) 출력계수로 다시 정리 하면 식 (15)와 같다.
출력은 바람 속도의 3승에 비례 출력은 공기 밀도에 비례 출력은 날개 반경의 제곱에 비례 (반경이 10%증가하면 출력은 21%증가) 출력은 속도의 함수인 Cp에 비례 식 (15)에서 동일 반경 및 동일 풍속에 대해서 최대 출력은 출력계수가 최대일 때 최대가 된다. 식 (14)로 부터 최대 출력계수를 구하기 위해 양변을 a에 대해 미분하면 출력계수는 a=1/3에서 최대값을 가지며 이때의 CP는 16/27로 약 0.593이다. 즉, 불어오는 바람이 가지는 운동에너지의 59.3%를 출력으로 얻을 수 있으며, 이 값을 베츠의 한계(Betz limits)라 한다. (15) (16)

13 풍력발전기 출력 및 베츠의 한계 주어진 풍속에서 풍력발전기의 로터 효율(ηr), 기계적 효율(ηt), 발전기효율(ηg)을 고려한 전기에너지는 다음과 같다. (17)

14 풍력발전기 출력 제어 날개 피치각 제어 개요 대부분 상용 풍력터빈 양력을 이용하여 터빈을 구동
날개의 피치각을 조절하여 양력을 감소 또는 증가시켜 풍력터빈의 출력제어 받음각(α, angle of attack)dl 크면 날개 윗면을 따라서 흐르는 공기는 완전히 날개 표면을 따라서 흐르지 못함 공기가 날개 표면에서 분리되면 그 분리점 이후 날개 윗면에서 와류가 발생하여 압력이 증가하고 전체 양력 감소 이러한 현상을 stall현상이라 하고 받음각이 계속 증가하면 양력을 발생하지 못하게 되어 날개는 회전력을 잃고 정지

15 풍력발전기 출력 제어 받음각이 최적이면 최대의 양력 발생
가능한 스톨이 발생하지 않도록 하기 위해 피치각을 조절 풍속이 정격출력에 필요한 풍속보다 빠르면 피치각을 크게하여 날개에 스톨을 발생을 발생시켜 양력을 감소 날개와 바람의 방향이 이루는 받음각이 작아서 날개에서 양력이 전혀 발생하지 않는 경우 -> feather 상태

16 풍력발전기 출력 제어 풍력터빈 날개 특성 (18) 풍력터빈의 날개는 로터 연결부에서 날개의 끝으로 갈수록 비틀려 있음
로터가 같은 각속도로 회전시 날개 끝으로 갈수록 반경이 증가하기 때문에 회전속도 증가 바람속도와 날개의 회전속도의 합성인 상대속도가 변화함 날개 트위스트 로터의 축가까이에서 받음각이 크며 멀수록 작아짐 받음각이 크면 스톨이 발생할 수 있음 스톨 발생을 방지하기 위해 날개 피치각을 반경에 따라 다르게 제작 날개 끝으로 갈수록 피치각이 작아짐 (18)

17 풍력발전기 출력 제어 (19) 날개 폭 결과적으로 날개 끝으로 갈수록 피치각은 작아지고 폭은 좁아진다.
날개 끝으로 갈수록 반경이 증가하면서 회전속도(Rω) 증가로 바람의 상대속도 증가 양력은 날개의 면적과 회전속도의 함수 균일한 양력 발생을 위해 날개 반경 증가에 따라 폭을 축소 결과적으로 날개 끝으로 갈수록 피치각은 작아지고 폭은 좁아진다. (19)

18 풍력발전기 출력 제어 날개 수 1-blade 2-blade 3-blade 바람의 흐름에 대한 방해가 가장 적고 출력이 높음
제작비용 감소 한 개의 날개로 두 개의 날개와 같은 출력을 얻기 위해서는 구조가 강해야하며 고속회전을 해야 함 – 소음이 큼 한쪽에 치우친 무게의 평형을 위해 다른 한쪽에 여분의 무게를 부착해야 함 2-blade 세 개의 날개를 사용하는 터빈에 비해 제작비용 저렴 날개 설치 용이 바람의 방향이 변하면 동적 불안정 발생 3-blade 2-blade의 동적 불안정 해소 날개 제작 비용이 높지만 안정적으로 작동 대부분의 중대형 풍력터빈들이 3-blade 채택

19 풍력발전기 출력 제어 출력계수와 날개 선단 속도 비(tip speed ratio) 관계 (20)
유입풍속과 날개 선단 속도 비의 함수 선단속도는 블레이드의 길이가 증가함에 따라 증가 일정속도를 초과하면 소음발생이유로 중요하게 취급 2MW급 풍력발전기의 경우 75m/s 내외 출력계수는 TSR에 따라 달라지며 최대의 출력이 나타나는 최적의 TSR이 존재 𝑇𝑆𝑅=𝜆= 𝜔𝑟 𝑈 = 𝜋𝑛𝑟 30𝑈 (20)

20 풍력발전기 출력 제어 프로펠러형 중 양력형은 선단 속도가 풍속보다 5~10배 빠름
TSR이 같더라도 대형 풍력발전기는 회전수가 낮고 소형은 높음 양력형 프로펠러나 다리우스는 토크는 작지만 출력이 커 발전용으로 적합 사보니우스나 다익형은 출력계수는 작지만 토크계수가 펌프구동 등에 적합

21 예제 1 블레이드 개수가 3개이며, 반경이 41m이고, 회전속도가 15rpm이다. 다음의 그림을 이용하여 최대 출력계수를 가지는 풍속을 구하라. 그림에서 날개가 3개인 경우 최대 출력은 λ=7에서 발생. 다음 식으로 부터 𝑇𝑆𝑅=𝜆= 𝜔𝑟 𝑈 = 𝜋𝑛𝑟 30𝑈 𝑈= 𝜋𝑛𝑟 30𝜆 = 𝜋×15×41 30×7 =9.2m/s

22 풍력발전기 출력 제어 솔리디티(solidity) 수평축 수직축 (21) 풍력발전기 성능을 특징짓는 중요한 특성계수
풍력터빈의 로터 회전면적에 대한 로터블레이드의 전 투영면적의 비 솔리디티는 TSR과 상관성이 큼 솔리디티가 작은 풍력발전기는 주속비가 크게 되어 고속회전형이 됨 솔리디티가 큰 풍력발전기는 주속비가 작고 다익형 풍력발전기처럼 낮은 회전으로 토크가 커짐 수평축 : 다익형이 솔리디티가 큼 수직축 : 사보니우스형이 다리우스형보다 솔리디티가 큼 솔리디티가 작은 2, 3-blade는 고회전을 이용하지만, 기동 토크가 작아 발전을 시작하는 컷인 풍속이 높아짐 수평축 수직축 (21) B : 블레이드 수, S : 수평축 블레이드 투영면적, R : 반경, C : 수직축 풍력발전기 블레이드 코드 길이

23 풍력발전기 출력 곡선 피치각, TSR과 출력계수의 관계 (22) (23)
날개의 형상을 설계하면 날개의 피치각 변화에 따른 출력계수에 대한 식이 유도됨 (22) (23) S. Skolthanarat, “The modeling and control of a wind farm and grid interconnection in a multi-machine system”

24 풍력발전기 출력 곡선 특정 풍력발전기의 피치각, TSR과 출력계수 관계
날개의 피치각이 0o 일 때 날개 끝 속도비가 약 8에서 최대출력계수 약 0.48 이 때 풍력발전기로부터 최대의 기계에너지를 얻을 수 있음 같은 피치각에 대해 TSR이 증가하면 출력계수가 최고치에 도달 후 감소 풍력발전기의 날개가 가지는 피치각에 대하여 최대의 출력계수를 가지는 TSR이 존재

25 풍력발전기 출력 곡선 식 (20) ~ (23)을 이용한 풍속, 회전각속도, 출력의 관계 1 반경 40m, 피치각 0도
각각의 블레이드 회전수에서 풍속이 증가하면 출력이 증가하다 감소 최대출력 후에는 풍속이 증가하면서 바람의 상대속도와 받음각이 증가 스톨발생으로 출력계수가 감소 최대출력이 발생하는 풍속은 회전수에 따라 다름 즉, 각 풍속마다 최적 TSR이 존재 특정 회전수에서 풍속이 증가하면 발전기에 과부하가 발생할 수 있음 Ex) 18 rpm에서 정격출력 2MW 발전기 가정 풍속 9m/s에서 출력 1.0MW 풍속 18m/s에서 출력 2.9MW -> 과부하, 고장 rpm을 16으로 낮추면 25m/s까지 안전 낮은 풍속에서 효율이 낮음 풍속에 따라 날개의 회전수를 적절히 제어해야 함

26 풍력발전기 출력 곡선 식 (20) ~ (23)을 이용한 풍속, 회전속도, 출력의 관계 2 반경 40m, 피치각 0도
특정 풍속에서 풍력발전기의 회전수가 증가하면 출력은 증가하다 감소 풍속이 높아짐에 따라 최적 rpm이 커짐 정격출력 이하에서는 각 풍속에서 최대출력이 발생하는 회전수 부근에서 풍력터빈 작동 정격출력에 도달하면 피치각을 조절하여 풍속이 증가하여도 정격출력만 발전하도록 제어

27 풍력발전기 출력 곡선 영역 I 영역 II 영역 III 영역 III 이후 풍속이 풍력발전기의 시동풍속보다 작아 발전하지 못함
풍속이 시동풍속보다 커 발전 시작 풍력발전기가 생산하는 출력이 정격출력보다 작음 가능한 최대의 출력이 생산되도록 제어 바람의 운동에너지가 최대한 출력으로 전환되도록 최적 TSR에서 작동하도록 제어 영역 III 정격출력보다 더 많은 출력 가능 설계에 적용한 정격출력만 생산하도록 제어 토크는 일정하게 유지하면서 피치각을 제어 하여 스톨 유발 영역 III 이후 풍속이 너무 커서 풍력터빈이 구조적으로 출력을 생산할 수 없는 상태 강풍에 손상을 피하기 위해 피치각을 조절하여 페더(feather)상태 유지

28 예제 2 풍력터빈의 날개 피치각(ϴ)이 0도이며 반경이 40m이고, 회전속도가 16rpm이다. 풍속이 9m/s인 경우 출력을 구하라 피치각이 0도인 경우 출력계수는 0.47이며 출력은 1.05MW이다

29 출력성능 평가 방법 현장 실험 풍동 실험 현장에 직접 풍력발전기를 설치하여 출력 및 풍속측정
소형 및 대형풍력발전기에 적용 가능 장기간의 측정 기간 및 높은 설치 비용 높은 난류강도로 인해 동일 풍속에서 일정하지 않은 성능 풍동 실험 소형 풍력발전기에 적합 단기간의 측정시간 풍속 조절 가능 풍동시설의 한계로 인한 문제점 발생 폐쇄효과 축소모형 실험 시 상사의 문제 (레이놀즈 수, TSR 등) 난류 모사의 어려움

30 풍동실험 다양한 분야에 활용

31 풍동실험 다양한 분야에 활용

32 풍력발전기 풍동실험 풍력발전기 풍동실험 출력성능 로터 블레이드 소음 풍력발전단지 설계 블레이드 공력성능
풍력발전기 후류 예측 등

33 풍력발전기 축소모형 풍력발전기 축소에 따른 상사법칙 풍력발전기 축소? Geometric Reynolds number
TSR(Tip speed ratio) 풍력발전기 축소?

34 풍력발전기 축소모델 상사율 기하학적 상사 레이놀즈 수 출력은 블레이드 형상에 매우 민감
모형 스케일에 맞는 동일한 형상을 정교하게 제작 레이놀즈 수 관성력과 점성에 의한 마찰력과의 비율로 정의되는 무차원 수 레이놀즈 수가 작다는 것은 점성작용이 강한 흐름을 의미 레이놀즈 수가 크다는 것은 상대적으로 관성작용이 강한 흐름을 의미

35 풍력발전기 축소모델 상사율 풍력발전기 레이놀즈 수 범위 Small scale : 3x103 ~ 3x104
Medium scale : 6x104 ~ 4x105 Full scale : 6x105 ~ 1x106 Commercial : 1x106 ~ 5x106

36 풍력발전기 축소모델 상사율 영각(angle of attack)과 양력계수 레이놀즈 수에 따른 양력과 항력
레이놀즈 수가 변하여도 약 10도에서 최대 양력계수 레이놀즈 수에 따른 양력과 항력 레이놀즈 수가 변하여도 양력계수는 큰 변화가 없음 레이놀즈 수가 작을 수록 항력계수가 커짐 레이놀즈 수는 출력에 영향을 미치므로 상사율을 맞춰야 함 후류실험의 경우 레이놀즈 수를 무시하여도 후류모사 가능

37 풍력발전기 축소모델 상사율 레이놀즈 수는 모형이 줄어든 비율만큼 풍속이 높이거나 동점성계수가 작은 유체를 사용하여 실험
풍속을 높이는 방법 모형이 100배 축소되면 풍속이 100배 커져야 함 풍동의 한계로 실현 불가능 동점성계수가 다른 유체 사용 수조를 이용하여 유속과 동점성계수를 작게 하여 상사 레이놀즈 수 상사는 현실적으로 어려움이 따름 출력성능 평가시 축소모형 실험은 불가능 풍동실험을 통한 출력성능 실험은 대부분 소형 풍력발전기에 대한 평가

38 풍력발전기 축소모델 상사율 TSR 상사 TSR 또한 풍력발전기 출력에 큰 영향을 미침
풍력발전기 축소비율만큼 회전각속도가 증가되어야 함 TSR 제어방법 저항을 이용하여 전기적으로 제어하는 방법 발전기가 아닌 모터로 강제회전 시키는 방법 대부분 풍동실험에서 TSR 제어가 쉽기 때문에 이용되는 방법 𝑇𝑆𝑅=𝜆= 𝜔𝑟 𝑈 = 𝜋𝑛𝑟 30𝑈

39 풍동실험시 고려사항 : 기준풍속 출력성능 평가 시 기준풍속 기준풍속을 정확히 하지 않으면 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 없음
풍력발전기 너무 가까이에서 풍속 측정 풍력발전기에 의해 공기흐름이 정체되어 풍속이 낮게 측정됨 풍력발전기 출력성능 과대평가 너무 멀리 떨어진 곳에서 풍속 측정 풍동 수축부를 막 빠져나온 안정화 되지 않은 풍속 측정 기준풍속과 출력의 상관관계가 낮아짐 풍동 시험부가 비어있는 상태에서 풍속측정 풍력발전기가 설치되면 풍동의 크기에 따라 막힘 정도가 달라짐

40 풍동실험시 고려사항 : 기준풍속

41 풍동실험시 고려사항 : 기준풍속 IEC 61400에 따른 풍속 측정 위치 수평축 수직축 회전자 직경의 2~4배에서 측정
직경의 2.5배 권장 수직축 등가 회전자 직경 A는 회전자의 회전면적 기준풍속 측정위치와 풍력발전기 사이의 거리 Ex) 등가직경이 5m인 수직축 풍력발전기의 기준풍속 측정 위치는 풍력발전기 타워중심을 기준으로 사이의 거리를 10m로 해야한다.

42 풍동실험시 고려사항 : 기준풍속 실험에 따른 기준풍속 측정위치 풍력발전기로부터 거리에 따라 풍속 측정
풍력발전기 RPM에 따른 영향 풍속에 따른 영향 기준풍속 영향 풍동 크기에 따른 영향 풍력발전기 샤프트로부터 약 2.5배 이상거리

43 풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법 전기적 측정 방법 RG RL RS 저항을 조정하여 TSR을 조정
저항을 바꿔가며 전압과 저항, 블레이드 rpm 및 풍속측정 옴의 법칙으로부터 출력 산출 Power measure generator RG RL RS

44 풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법 저항과 전압 관계 저항과 출력 관계
저항을 계속 증가시키면 전압이 증가하다 일정 값에 수렴 저항과 출력 관계 저항을 계속 증가시키면 최대 출력 이후 감소하며 최적의 저항이 존재 함 따라서 각각의 풍속마다 최적 저항을 찾아 최대출력을 평가해야 함

45 풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법 기계적 손실과 전기손실을 고려한 최종 출력인 전력을 얻는다는 장점이 있어 주로 실제의 대형 풍력발전기의 현장 실험에 주로 사용 소형 풍력발전기 실험에서 발전기는 대부분 DC 모터를 이용하여 설계되며 발전기까지 설계가 완료된 풍력발전기에 주로 적용 발전기의 전압과 회로구성에서 저항을 측정하면 쉽게 출력 산출 가능 전기적 출력측정 방법은 발전기에서 몇 가지 요인으로 인하여 효율 저하 구리손실 : 도체에 전류가 흐르면서 내부의 에너지가 열로 발생하면 서 발생 기계손실 : 베어링이나 브러쉬 등의 마찰에 의해 에너지 손실 기계적인 출력측정보다 성능이 낮게 평가 됨, 즉 같은 풍력터빈이라 할지라도 발전기 효율에 따라 출력이 다르게 평가될 수 있음

46 풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법 기계적 출력 측정 방법 발전기 대신 모터와 인버터를 장착하여 블레이드를 회전속도 제어
모터의 rpm, 토크 및 풍속을 측정하여 TSR에 따른 출력 산출 발전기의 전기적인 부분을 분리하여 기계적인 효율만 평가하는 방법 풍동실험에 사용되는 일반적인 방법 낮은 TSR부터 높은 TSR까지 제어가 쉽다.

47 풍동실험시 고려사항 : 출력 측정 방법 Motor

48 풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과 폐쇄율(blockage ratio) 𝛽= 𝐴 𝑆 𝐴 𝑇
풍동실험에서 시험부에 대한 시험체의 상대적인 크기의 비 시험부 단면적에 대한 시험체의 단면적 AS : 시험체 단면적 AT : 풍동 시험부 단면적 𝛽= 𝐴 𝑆 𝐴 𝑇

49 풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과 폐쇄효과(blockage effect or wind tunnel wall interference) 경계면이 없는 자유기류(freestream)를 비행하고 있는 항공기나 경계면이 하나인 지면위의 자동차와 달이 풍동시험부에는 상하좌우면에 경계면이 존재하기 때문에 공기의 흐름 특성이 달라지게 됨

50 풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과 3가지 경계면 모두 공기의 흐름 안에 물체가 있다는 것은 동일
풍동 시험부의 시험체와 흐름 경계면 까지의 거리는 실제 시험체가 운용되는 조건보다 보통작음 -> 폐쇄효과 발생 폐쇄효과는 풍동 실험 결과에 오차를 유발 풍동실험시 반드시 평가되어야 할 핵심적인 사항이며 폐쇄효과에 대한 보정이 필요

51 풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과 Solid blockage effect
시험체가 설치된 풍동의 경계면 자유기류 조건에 비해 공기가 흘러야하는 면적을 감소시킴 시험체에 의해 감소된 면적에서 질량흐름이 일정해야 하는 연속방정식 및 베르누이 방정식을 만족하기 위해 풍속은 증가하고 압력은 증가 시험체 부근에서 증가되었던 풍속은 시험체를 지나 회복 폐쇄효과를 피하기 위해 보통 폐쇄율은 5%이내로 제한

52 풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과 Wake blockage effect
Wake blockage는 시험체로부터 발생한 wake가 제한된 공간에 놓이기 때문에 발생 solid blockage와 유사한 개념 Wake 크기와 시험체 형상의 함수이기 때문에 복잡 개방형 시험부에서는 무시해도 되는 것으로 간주되지만, 폐쇄형 시험부에서는 풍속을 증가시키기 때문에 고려해줘야 할 대상 Wake 영역의 풍속은 자유기류보다 낮기 때문에 wake의 바깥쪽의 풍속은 각각의 단면을 흐르는 체적을 일정하게 하기 위해 자유기류에서 보다 높아지게 됨

53 풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과

54 풍동실험시 고려사항 : 폐쇄율 및 폐쇄효과 Total blockage effect
Solid blockage와 wake blockage가 중첩될 수 있다면 wake blockage와 solid blockage로 인해 발생한 풍속증가의 총 합을 total blockage라 정의하고 이는 풍동실험 결과에 영향을 미침