[논문]비정렬격자계를 이용한 헬리콥터 덮개 꼬리 로터의 제자리 비행 유동 해석

이희동; 권오준; 강희정; 주진

doi:10.5139/jksas.2003.31.5.001

비정렬격자계를 이용한 헬리콥터 덮개 꼬리 로터의 제자리 비행 유동 해석
Detailed Flow Analysis of Helicopter Shrouded Tail Rotor in Hover Using an Unstructured Mesh Flow Solver 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.31 no.5, 2003년, pp.1 - 9

이희동 (한국과학기술원) , 권오준 (한국과학기술원) , 강희정 (한국항공우주연구원) , 주진 (한국항공우주연구원)

초록
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본 연구에서는 비정렬격자계를 사용하여 덮개 꼬리 로터의 제자리 비행에 대한 압축성, 비정성 유동을 해석하였다. 유동계산을 위한 수치적 기법으로는 셀 중심에 기초한 유한체적법과 내재적인 시간적분법을 사용하였다. 계산은 로터의 한 블레이드에 대해 수행되었으며, 블레이드와 블레이드 사이에는 주기적 경계조건을 설정하였다. 덮개가 없는 로터 형상에 대한 성능은 실험 결과와 잘 일치함을 보였다. 덮개를 포함하는 로터 형상에 대한 계산은 비교된 실험 형상의 불확실성을 고려하여 추력이 일치하는 피치각을 가지는 경우에 대해 수행하였으며, 자세한 유동은 실험결과와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 그 결과로부터 본 방법이 블레이드 끝단간극을 포함하는 복잡한 3차원 덮개 꼬리 로터 형상 해석에 매우 유용하게 사용될 수 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Detailed flow of a shrouded tail rotor in hover is studied by using a compressible inviscid flow solver on unstructured meshes. The numerical method is based on a cell-centered finite-volume discretization and an implicit Gauss-Seidel time integration. Numerical simulation is made for a single blade attached to the center body and guide by the duct by imposing a periodic boundary condition between adjacent rotor blades. The results show that the performance of an isolated rotor without shroud compares well with experiment. In case of a shrouded rotor, correction of the collective pitch angle is made such that the overall performance matches with experiment to account for the uncertainties of the experimental model configuration. Details of the flow field compare well with the experiment confirming the validity of the present method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 사용된 기법을 검증하기 위하여덮개를 가진 꼬리 로터의 공력 성능을 해석하기에 앞서 덮개가 없는 로터(isolated rotor without shroud)의 압축성, 비점성 유동에 대한 해석을수행하였다. 이 로터는 덮개 꼬리 로터 에서 덮개만 제거한 형상이다.
본 연구에서는 3차원 비정렬격자를 이용한 로터해석용 비점성 유동 해석 코드를 개발하고, 이를 검증하기 위해 러시아 Kamov사에서 개발된 Ka-60 헬리콥터의 덮개 꼬리 로테2]에 대해 수치적 해석을 수행하였다. 계산은 기존의 계산과는 달리 실제적인 블레이드를 모델링 하였으며, 그 결과는 실험치와 비교 분석하여 본 기법에 대한 타당성을 보였다.
이러한 형상 모델링의 차이를 극복하기 위해본 연구에서는 블레이드 피치각을 고정시키지 않고 실험에서 얻어진 로터의 추력과 계산에서의추력이 일치되는 유동조건을 계산의 기준으로 하였다. 이렇게 로터 추력이 일치하도록 얻어진 블레이드 피치각은 실험치 보다 다소 작은 39도로예측되었으며, 이러한 보정은 헬리콥터 로터에대한 연구에서 실험에서의 불확실성을 제거하기위하여 자주 도입되는 방법이다.

가설 설정

14. Definition of velocity components at the section of the blade.
않았다. 본 연구에서는 주기적 경계 조건을 사용하기 위해 계산 모델에서 수직 핀을 제거하였으며, 덮개의 두께는 반경의 70%로 일정하다고 가정하였다. 또한, 덮개 바깥 입구 쪽에는 0.

제안 방법

이 로터는 덮개 꼬리 로터 에서 덮개만 제거한 형상이다. 계산은 끝단 마하수가 0.22인 비행조건에 대해 콜렉티브 피치각이 블레이드 루트(blade root)에서 28도인 경우에 대해 수행하였다. 이 경우는 덮개가 있는 테일 로터 형상에 대해 블레이드 루트에서의 콜렉티브 피치각이 45도인 경우와 동일한 추력(88N)을 같는 조건이다 [2].
다음으로, 덮개 꼬리 로터 형상에 대해 제자리비행 시, 끝단 마하수 0.22, 콜렉티브 피치각이 45도인 경우에 대해 계산을 수행하였다. 계산된 추력은 실험에서 제시된 값보다 약 60% 정도를 크게 나타났다.
본 연구에서는 주기적 경계 조건을 사용하기 위해 계산 모델에서 수직 핀을 제거하였으며, 덮개의 두께는 반경의 70%로 일정하다고 가정하였다. 또한, 덮개 바깥 입구 쪽에는 0.3R, 출구 쪽에는 0.2R의 라운딩 (rounding)을 주어 뾰족한 모서리에서 생길 수 있는 해의 불안정성을 제거하고, 유동이 원활하게 로터면으로 유입될 수 있도록 하였다. 센터바디 입구에도 덮개입구반경과 같은 0.
먼저 수치적 기법의 타당성을 입증하기 위해 덮개가 없는 로터 형상에 대한 압축성, 비점성 해석을수행하였다. 계산된 추력은 실험값과 거의 일치하였으며, 이로부터 본 연구에서 사용된 수치 기법이로터 공력 성능 예측을 위해 유용함을 확인하였다.
본 연구에서는 비정렬격자계를 이용하여 덮개 꼬리 로터 (shrouded tail rotor)에 대해 압축성, 비점성 유동 해석을 수행하였다. 원방 경계조건으로는 Srinivasan이 제안한 1차원 운동량 이론에 근거한 source-sink 원방 경계 조건을 덮개 꼬리 로터에 대해 수정하여 적용하였다.
본 연구의 수치적 유동해석 기법을 검증하기위하여 러시아 Kamov사의 Ka-60에 장착된 덮개꼬리 로터에 대한 TsAGI의 실험 형상[2]에 대해제자리 비행시 유동을 해석하였다.
유동 해석을 수행하였다. 원방 경계조건으로는 Srinivasan이 제안한 1차원 운동량 이론에 근거한 source-sink 원방 경계 조건을 덮개 꼬리 로터에 대해 수정하여 적용하였다.

대상 데이터

7과 같다. 사용된 격자 수는 약 284, 124개이고 격자점 수는 약 56, 142개이다. 원방 경계는 로터 중심으로부터 각 방향으로 5R씩 떨어진 곳에 두었으며, 로터 중심으로부터 원방 경계까지의 거리(3R~ 10R)에 따른 공력 성능의 변화는 거의 없음을 확인하였다.

이론/모형

계산 시간의 단축 및 메모리 제한을 극복하기위해 코드는 MPI(Message Passing Interface)를이용하여 병렬화 되었으며, 적절한 계산 영역의분배를 위해 MeTiS library를 사용하였고, 계산은 Pentium IV 2.4GHz PC-cluster에서 수행되었다.
Kramer 등[9, 1이은 이러한 문제들을 언급하고 와류 요소 (vortex-element)의 근사해를 초기 조건으로 사용하여 원방 경계에서 계산 영역 내부로 들어오는 유동을 생성하여 주었으며, Srinivasan 등[11]은 1 차원 운동량 이론(1-D momentum theory)과 3 차원 흡수원(point sink) 개념을 사용하여 원방경계에서 흡입 유동조건과 배출 유동조건을 정의하였다. 본 연구에서는 제자리 비행의 경우에 대해 Srinivasan이 고안한 주로터에 적용되는 경계조건을 Strawn[12]이 수정한 형태로 덮개 꼬리로터 형상에 대해 적용하였다.
시간 적분을 위해서는 내재적 시간 적분법의 하나인 Gauss-Seidel 방법을 사용하였고, 수렴을 증진시키기 위해서 국소 시간 전진기법을적용하였다.
식 (1)은 비정렬 격자계에서 사용하기 위해 격자 중심 방법의 유한 체적법으로 이산화하였으며, 공간에 대해서는 2차 정확도의 Roe의 평균값을 이용한 flux-difference splitting 방법[기을 사용하였다. 시간 적분을 위해서는 내재적 시간 적분법의 하나인 Gauss-Seidel 방법을 사용하였고, 수렴을 증진시키기 위해서 국소 시간 전진기법을적용하였다.

성능/효과

13는 블레이드 스팬을 따른 추력 분포를 disk vortex theory[2]를 이용한 계산 결과와 비교한 것이다. Disk vortex theory의 계산 결과에 비해, 블레이드 안쪽 부분은 더 큰 추력을 가지며, 최대 추력은 더 낮게 나타났다. 블레이드 끝단 부근에서 일시 증가하다가 급격한 감소를 보이는 것은 끝단 간극에서 생성되는 끝단 와류의 존재를 나타낸다.
계산된 추력은 실험값과 거의 일치하였으며, 이로부터 본 연구에서 사용된 수치 기법이로터 공력 성능 예측을 위해 유용함을 확인하였다. 덮개 꼬리 로터의 경우에는 사용된 형상의 간략화로 인해 추력이 실험 값보다 크게 예측되었으나, 실험값과 같은 추력을 가지는 보정된 피치각에 대한 로터면에서 추력 분포, 유도 내리흐름, 원주방향의 유도 속도, 유도 받음각 등은 실험결과와 잘일치함을 확인할 수 있었다.
22, 콜렉티브 피치각이 45도인 경우에 대해 계산을 수행하였다. 계산된 추력은 실험에서 제시된 값보다 약 60% 정도를 크게 나타났다. 덮개가 없는 로터에 대한 추력예측이 비교적 정확한 결과를 보인 것에 반해 덮개를 포함하는 경우에 대한 예측 결과가 큰 차이를 보이는 것은, 정확한 실험형상 정보의 부족으로 알려지지 않은 값을 가정하고, 계산의 단순화를 위해 수직 핀(vertical fin)을 제거하고 덮개의 반경 방향 두께를 일정하게 하는 등 형상의 가정 및 간략화에 따른 것으로 판단된다.
계산된 추력은 약 93N으로 나타났으며, 실험결과[2]에 비해 약 6% 큰 값이다. 이는 계산에사용된 기법의 비점성 가정에 따른 것으로 판단된다.
계산은 기존의 계산과는 달리 실제적인 블레이드를 모델링 하였으며, 그 결과는 실험치와 비교 분석하여 본 기법에 대한 타당성을 보였다.
계산된 추력은 실험값과 거의 일치하였으며, 이로부터 본 연구에서 사용된 수치 기법이로터 공력 성능 예측을 위해 유용함을 확인하였다. 덮개 꼬리 로터의 경우에는 사용된 형상의 간략화로 인해 추력이 실험 값보다 크게 예측되었으나, 실험값과 같은 추력을 가지는 보정된 피치각에 대한 로터면에서 추력 분포, 유도 내리흐름, 원주방향의 유도 속도, 유도 받음각 등은 실험결과와 잘일치함을 확인할 수 있었다.
9는 물체 표면에서의 압력 분포와 유 동장 단면에서의 유선을 나타내고 있다. 덮개 입구 부분에서는 압력이 낮아져서 덮개 추력 (shroud thrust)이 발생함을 알 수 있으며, 원방 경계에서는 Srinivasan이 제안한 1차원 운동량이론(momentum theory)에 근거한 source-sink 경계조건이 적절히 적용되고 있음을 확인할 수 있다.
이는 계산에사용된 기법의 비점성 가정에 따른 것으로 판단된다. 덮개가 없는 로터의 계산 결과로부터 본연구의 수치적 해석 기법이 로터의 성능을 비교적 정확히 예측함을 확인하였다.
본 연구로부터 덮개를 가진 로터의 정확한 성능예측을 위해서는 블레이드를 끝단간극을 포함하는 실제적인 3차원 형상으로 모델링 하는 것이 중요함을 확인하였다.
사용된 격자 수는 약 284, 124개이고 격자점 수는 약 56, 142개이다. 원방 경계는 로터 중심으로부터 각 방향으로 5R씩 떨어진 곳에 두었으며, 로터 중심으로부터 원방 경계까지의 거리(3R~ 10R)에 따른 공력 성능의 변화는 거의 없음을 확인하였다.
10의 E점에서 압력 변화를 유발한다. 이 결과로부터 본 연구에서 사용된 방법이 과도한 수치적 확산 없이 로터와 그 주변의 유동을 정확하게 모사할 수 있음을 확인할 수 있다.

참고문헌 (14)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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