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문제 정의
- 본 연구에서는 정상상태 지면효과를 받는 이차원익형 주위의 유동 특성을 이동 벨트를 이용한 실험과상용 CFD 프로그램을 이용한 수치해석을 병행하여 고찰하였다.
가설 설정
- 해석 조건은 정상 상태 비압축성 난류 유동을 대상으로 하였으며, 난류 모델은 표준 &-6모델을 사용하였다. 작동 유체는 표준 상태 공기를 이용하였으며, 밀도 및 동점성계수는 일정하다고 가정하였다. 해석 영역의 이산화(discretization)에는 상류 도식 (upwind scheme)을 이용하였다.
제안 방법
- 벨트의 폭은 익형의 폭과 동일한 300mm이며, 지면을 모사하는 길이는 1100mm내외이다. 벨트의 장력을 조절하며 회전 중 벨트가 이탈하는 현상을 방지하기 위하여 롤러의 축간 거리를 조절할 수 있도록 제작하였다. 롤러는 AC 모터를 이용하여 벨트로 구동시켰으며, 고주파 발진형 근접센서(PS17-5DP, Autonics)를 이용하여 회전수를 측정하였다.
- 벨트의 장력을 조절하며 회전 중 벨트가 이탈하는 현상을 방지하기 위하여 롤러의 축간 거리를 조절할 수 있도록 제작하였다. 롤러는 AC 모터를 이용하여 벨트로 구동시켰으며, 고주파 발진형 근접센서(PS17-5DP, Autonics)를 이용하여 회전수를 측정하였다. 모터의 최대 회전수는 1700rpm 이상이지만, 베어링의 내구성을 고려하여 롤러의 최대회전수가 1500 rpm이하에서 20m/s내외의 벨트 속도를 구현하도록 롤러의 직경을 선정하였다.
- 하지만, 시험가동 시 1100 rpm이상의 회전수에서는 전체 벨트 장치에 심한 진동이 발생하였고, 따라서 롤러의 회전 속도를 1000 rpm이흐K약 15 %)로 제한하여 실험을 수행하였다. 풍동의 하부면을 절개하여 벨트로 대체하였으며, 벨트의 높이는 풍동 하부면의 높이와 일치시켰다. 벨트의 높이를 조절하는 것이 곤란하기 때문에 끝단판(end-plate) 을 사용하여 익형의 높이를 조절함으로써 벨트와의 간격을 변화시켰으며, 영각 조절을 위하여 소형 DC 모터를 이용하였다.
- 풍동의 하부면을 절개하여 벨트로 대체하였으며, 벨트의 높이는 풍동 하부면의 높이와 일치시켰다. 벨트의 높이를 조절하는 것이 곤란하기 때문에 끝단판(end-plate) 을 사용하여 익형의 높이를 조절함으로써 벨트와의 간격을 변화시켰으며, 영각 조절을 위하여 소형 DC 모터를 이용하였다. 진직도(linearity)가 1 %인 포텐쇼메터 (potentiometer)로부터 전압 변동을 DAQ-보드(PCI6(欲5E, National Instrument) 를 통하여 FC로 입력받아 LabVEW (National Instrument) 프로그램에서 연산 처리하여 모터 구동 회로를 제어하는 방식을 이용하였다.
- 또한, 익형 표면에서의 압력 측정은 DSA-3017 압력변환기(Scanni Val.,e)를 이용하여 수행하였다. DSA -3017은 16개의 압력개소에서 동시 압력 측정이 가능한 장비로써, 본 연구에서는 익형의 상부와 하부에서의 압력을 각각 측정하였다.
- ,e)를 이용하여 수행하였다. DSA -3017은 16개의 압력개소에서 동시 압력 측정이 가능한 장비로써, 본 연구에서는 익형의 상부와 하부에서의 압력을 각각 측정하였다.
- 본 연구에서는 범용 CFD 프로그램인 CFD-ACE<12) 를 이용하여 실험 조건과 동일한 유동장을 해석한 뒤, 그 결과를 실험결과와 비교하였다.
- 2는 수치해석에서 사용한 격자계를 도시하고 있다. 경계 조건은 입구에서 일정 유속 조건, 출구에서 일정 압력 조건을 적용하였고, 지면에서는 입구 유속과 동일한 크기의 벽면 속도를 지정하였다. 해석 조건은 정상 상태 비압축성 난류 유동을 대상으로 하였으며, 난류 모델은 표준 &-6모델을 사용하였다.
- 익형에 대한 실험을 선행하였다. 익형에 작용하는 양력은 익형 표면의 정압을 적분하여 계산하였다. 본 연구에서는 각각의 압력공으로부터 300개의 압력값을 측정한 뒤, 측정값을 통계 처리하였다.
- 익형에 작용하는 양력은 익형 표면의 정압을 적분하여 계산하였다. 본 연구에서는 각각의 압력공으로부터 300개의 압력값을 측정한 뒤, 측정값을 통계 처리하였다.
- 벨트가 시작되는 곳으로부터 거리 L이 200, 400, 520mm 인 지점에서 벨트면에서 8mm높이부터 측정을 수행하였으며, 실선으로 표시된 속도분포는 벨트가 “8의 속도로 회전하는 경우이고 점선은 벨트가 정지한 경우이다. 그림에서 보는 바와 같이 벨트가 정지한 경우에는 하류로 갈수록 유속이 점차 지연되는 것을 볼 수 있다.
- 5에 도시하였다. 여기서, 익형의 높이는 1/4 익현점과 지면 간의 거리 /z를 익형의 익현길이 c로 나누어준 무차원높이를 사용하였다. 영각이 2° 인 경우에는 〃c=1.
- 7~8에 영각이 4。, 10°인 경우에 대하여 지면과의 거리가 익형 표면에서의 압력계수 변화에 미치는 영향을 실험결과와 수치해석 결과를 비교하여 도시하였다. 수치해석에서는 입구 경계 조건을 적용하면서 지면으로부터 수직한 방향으로의 거리에 따라서 유속이 일정하다는 조건을 적용하였다.
- 7~8에 영각이 4。, 10°인 경우에 대하여 지면과의 거리가 익형 표면에서의 압력계수 변화에 미치는 영향을 실험결과와 수치해석 결과를 비교하여 도시하였다. 수치해석에서는 입구 경계 조건을 적용하면서 지면으로부터 수직한 방향으로의 거리에 따라서 유속이 일정하다는 조건을 적용하였다.
- 4 에 도시된 속도분포를 적용하였을 경우의 압력계수 분포를 비교하고 있다. Fig. 4의 L=200mm에서 벨트가 회전하는 경우의 속도분포를 3차 방정식으로 근사하여 입구 속도로 적용하였고, 늬과 0.27인 경우를 비교하였다. 수치해석 결과에서 보는 바와 같이 입구 속도를 3차 방정식으로 근사하는 경우의 압력계수는 일정 입구 속도를 주는 경우와 비교하여 익형의 상부 면에서는 더 낮게, 하부면에서는 더 높게 계산되는 것을 볼 수 있으며, 실험 결과에 근접해 가는 것을 볼 수 있다.
- 본 연구에서는 이차원 NACA0012 익형에 작용하는 지면효과의 영향을 이동 벨트 장치를 이용한 실험적 연구와 상용 CFD 프로그램을 이용한 수치해석을 병행하여 수행하였다. 실험 결과로부터 이차원 익형에 작용하는 지면효과의 영향은 익형의 영각에 따라서 상이하게 나타났다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 NACA0012 익형은 ABS 수지를 이용하여 제작하였으며, 익형의 익현길이(chord length) 와익폭(span)은 각각 150mm와 300mm이다. 익형의 상부 면과 하부면에 각각 12개의 압력공을 직경 1mm 크기로 설치하였고, 익형의 전연점에 1개의 압력공을 설치하였다.
- 실험은 450mmX450 mm개방식 토출형 아음속 풍동 내에 지면을 모사하기 위하여 이동 벨트 장치를 제작, 장착하여 수행하였다. Fig.
이론/모형
- 벨트의 높이를 조절하는 것이 곤란하기 때문에 끝단판(end-plate) 을 사용하여 익형의 높이를 조절함으로써 벨트와의 간격을 변화시켰으며, 영각 조절을 위하여 소형 DC 모터를 이용하였다. 진직도(linearity)가 1 %인 포텐쇼메터 (potentiometer)로부터 전압 변동을 DAQ-보드(PCI6(欲5E, National Instrument) 를 통하여 FC로 입력받아 LabVEW (National Instrument) 프로그램에서 연산 처리하여 모터 구동 회로를 제어하는 방식을 이용하였다.
- 경계 조건은 입구에서 일정 유속 조건, 출구에서 일정 압력 조건을 적용하였고, 지면에서는 입구 유속과 동일한 크기의 벽면 속도를 지정하였다. 해석 조건은 정상 상태 비압축성 난류 유동을 대상으로 하였으며, 난류 모델은 표준 &-6모델을 사용하였다. 작동 유체는 표준 상태 공기를 이용하였으며, 밀도 및 동점성계수는 일정하다고 가정하였다.
- 작동 유체는 표준 상태 공기를 이용하였으며, 밀도 및 동점성계수는 일정하다고 가정하였다. 해석 영역의 이산화(discretization)에는 상류 도식 (upwind scheme)을 이용하였다.
성능/효과
- 여기서 레이놀즈수는 익형의 익현길이를 기준으로 한 레이놀즈수이다. 비록, 벨트 구동장치의 진동 때문에 높은 레이놀즈수 영역에서의 결과를 얻을 수 없었지만, 그림에서 보듯이 롤러의 회전속도가 1000 rpm 이하에서는 기존의 실험결과와 잘 일치하는 것을 볼 수 있다.
- 익형의 하부면에서는 실험결과와 수치해석 결과 사이의 차이가 더욱 커진 것을 볼 수 있다. 실험 결과에서는 〃c=0.57에서 적은 크기의 압력계수감소가 발생하였다가 〃c=0.27에서 다시 압력계수가 증가하여, 오히려 지면효과를 받지 않는 경우보다 압력계수가 큰 것을 볼 수 있다. 이와 같은 상부면에서의 압력계수감소와 하부면에서의 압력계수 증가로 인하여 상하면 간의 압력차가 감소하여 양력계수의 감소가 나타나지 않으며, 지면에 가까워질수록 지속적으로 압력계수가 감소하는 것을 볼 수 있다.
- 27인 경우를 비교하였다. 수치해석 결과에서 보는 바와 같이 입구 속도를 3차 방정식으로 근사하는 경우의 압력계수는 일정 입구 속도를 주는 경우와 비교하여 익형의 상부 면에서는 더 낮게, 하부면에서는 더 높게 계산되는 것을 볼 수 있으며, 실험 결과에 근접해 가는 것을 볼 수 있다. 따라서, 낮은 영각 및 높이에서 양력계수가 감소하는 것으로 측정된 것은 지면 가까이 경계층 내부에서의 속도구배에 의한 것임을 알 수 있다.
- 수행하였다. 실험 결과로부터 이차원 익형에 작용하는 지면효과의 영향은 익형의 영각에 따라서 상이하게 나타났다. 영각이 8° 이상인 경우에는 지면효과에 의하여 양력계수가 증가하는 것이 관찰되었으나, 영각이 6° 이하에서는 지면에 근접함에 따라 오히려 양력계수의 감소가 발생하였다.
- 영각이 8° 이상인 경우에는 지면효과에 의하여 양력계수가 증가하는 것이 관찰되었으나, 영각이 6° 이하에서는 지면에 근접함에 따라 오히려 양력계수의 감소가 발생하였다. 익형 표면에서의 압력계수분포를 수치해석 결과와 비교 검토한 결과 지면 가까이에서 형성된 경계층의 영향으로 인하여 낮은 높이와 영각을 가질 때 익형 하부면에서의 압력계수 증가가 발생함을 알 수 있었다. 또한, 상부면 전연 부근에서 압력계수가 감소하는 사실을 알 수 있었으며, 결과적으로 양력의 감소가 발생하였다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 익형 표면에서의 압력계수분포를 수치해석 결과와 비교 검토한 결과 지면 가까이에서 형성된 경계층의 영향으로 인하여 낮은 높이와 영각을 가질 때 익형 하부면에서의 압력계수 증가가 발생함을 알 수 있었다. 또한, 상부면 전연 부근에서 압력계수가 감소하는 사실을 알 수 있었으며, 결과적으로 양력의 감소가 발생하였다는 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서 사용한 이동 벨트 장치는 경계층에 의한 유동속도의 감소를 방지할 수는 있었지만, 풍동 벽면에서 성장되어있던 경계층을 벨트의 전단부에서 제거해주지 않음으로써 실제 유동 현상을 완벽히 재현하는데는 부족함이 있었다. 따라서, 향후 연구에서는 이동벨트 전단부에서의 경계층 제어를 통하여 익형 전방에서 일정 유속 분포를 형성시키는 연구가 필요하다고 사료된다.
후속연구
- 부족함이 있었다. 따라서, 향후 연구에서는 이동벨트 전단부에서의 경계층 제어를 통하여 익형 전방에서 일정 유속 분포를 형성시키는 연구가 필요하다고 사료된다.
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