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가설 설정
- 시간적분을 위해서는 LU-SGS기법을 사용하였다. 난류 효과를 고려하기 위해서 Baldwin-Lomax의 대수적 난류모델을이용하였으며, 블레이드 상에서는 완전 난류 (fully turbulent)로 가정하였다[6].
제안 방법
- 3차원 계산 격자는 GRIDGEN을 이용하여 생성하였으며, 점성 해석을 위해서 첫 번째 격자를블레이드 표면 상의 0.00002 시위에 위치시켰다. 각 블레이드 형상에 디한 표면 음영모델 및 표면 격자계를 Fig.
- BERP 블레이드의 소음특성을 혁신적으로 개선하기 위하여 설계된 NRSB-I 블레이드의 제자리 비행 성능을 해석하고 그 결과를 BERP 블레이드와 비교하였다.
- BERP 블레이드의 소음특성을 획기적으로 개선하기 위하여 vane tip 개념을 도입한 차세대로터 블레이드(이하 NRSB-I 블레이드)를 설계하였다. NRSB-I 블레이드 형상의 특징은 쌍와류 (twin vortex) 생성을 위한 깃 끝에서의 kink 와기 존 BERP보다 더 커진 비틀림각, 하반 각으로 대별할 수 있다.
- 9에 피치각 10도, 15도 일 때 깃끝 와류의 단면에서의 밀도와 압력을 보였다. 밀도와 압력은 각각 자유류 값으로 무차원화 하였으며, 블레이드 뒷전에서 1C 위치에서 측정하였다.
- 앞서 언급한 Navier-Stokes 코드의 정확도를 검증하기 위하여 Caradonna 와 Tung[7] 의 실험 결과와 다음 두 조건에서 비교하였다.
이론/모형
- 공간 차분에 유한체적 방법을 이용하였으며, 비점성 항은 풍향 차분법을 점성항은 중앙 차분 법을 이용하여 구하였다. 시간적분을 위해서는 LU-SGS기법을 사용하였다.
- 이용한 해석이 필수적이다. 본 계산에서는 와류의 생성, 전파 및 소멸을 부가적인 물리적 가정 없이 자체적으로 모사할 수 있는 Navier-Stokes 방정식을 이용하였으며, 계산 시간의 단축을 위하여 원방의 후류 효과는 받음각교정기법 (angle-of-attack correction)을 이용하여간단 하게 처리하였다. NRSB-I 블레이드에 대한보다 정확한 성능 해석을 위해서, 추후 계산에서는 후류포착 기법 (Wake Capturing Method)을이용할 예정이다[4, 5].
- 구하였다. 시간적분을 위해서는 LU-SGS기법을 사용하였다. 난류 효과를 고려하기 위해서 Baldwin-Lomax의 대수적 난류모델을이용하였으며, 블레이드 상에서는 완전 난류 (fully turbulent)로 가정하였다[6].
- 원방후류의 효과는 Agarwal 과 Deesc[8] 등이 제안한 받음각 교정기법 (Angle of Attack Correction) 을 이용하여 간단하게 처리하였다. CASE 2의 경우 주어진 스팬 위치에서 표면 압력분포는 Fig.
- 지배방정식은 3차원 비정상, Navier-Stokes 방정식이며, 일반 좌표계로 나타내면 다음과 같다.
성능/효과
- 그림에서 볼 수 있듯이, 표면 압력 분포가 깃끝 부근을 제외하고는 모두실험치와 비교적 잘 일치하는 것을 알 수 있다. Table 1에 보인 것처럼, 두 경우의 추력 계수는실험치와 약 2-10% 정도의 오차를 나타내고 있는데, BERP와 NRSB-1의 제자리 운용 조건은 대략 두 경우의 중간 정도에 해당(M" = 0.643) 하므로 추력은 대략 10% 이내의 오차범위에서 예측 가능함을 확인할 수 있다.
- (1) 깃끝 면적의 감소에 의하여 NRSB-I 블레이드의 절대 추력이 6-7% 정도 감소하지만, 동력계수도 9-17% 이상 줄어들기 때문에 실제 제자리 비행 성능의 손실은 거의 없는, 것으로 판단된다.
- (2) Kink에서 발생한 와류는 블레이드 표면을 지나면서 그 강도가 현저하게 약화되므로 피치각 10도 미만에서는 그 영향이 거의 나타나지 않았다.
- (3) 따라서 동일한 강도를 갖는 쌍와류 생성을위해서는 깃끝 절단부 위치에 펜스가 필요함을 확인할 수 있었다.
- (4) NRSB-I 블레이드의 깃끝 와류의 강도는 기존 BERP 에 비해 대략 50% 내외로 설계 요구 조건과 잘 부합하는 것으로 확인되었다.
- Table 2에 나타난 결과를 보면, NRSB-I 블레이드는 깃끝에서의 절단부로 인하여 BERP 에비해 약 3.4% 작은 면적을 갖는데 비해, 절대 추력은 BERP에 비하여 전체적으로 6-7% 정도 감소했음을 알 수 있다. 반면어】, 토오크의 감소 폭은 추력의 경우보다 훨씬 더 큰 것을 확인할 수 있다.
- 후류 효과가 정확하게 고려되지 않으므로, Figure of Merit 의 비교가 큰 의미는 없지만, 이 역시 두 경우 모두 BERP와 2% 미 만의 차이를 보였다. 고형비 에 대한 추력, C/cr 즉 각 블레이드에 부과되는 하중(blade loading)를 비교해보면 실제로 NRSB-I 과 BERP의 차이가 5% 미만으로 더 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이는 면적 감소에 의한 추력의 감소분을 블레이드면적을 적절히 증가시킴으로써 전체적인 성능의 손실을 상쇄할 수 있다는 것을 의미한다.
- 깃끝 와류의 상대적인 강도를 비교해 보면, NRSB-lo] BERP에 비해 피치각 10도일때는 약 46.4% , 15도 일때는 57% 의 강도를 가짐을 알 수 있다. 이는 0.
- 3도와 8도가 된다. 본 계산에서는 계산영역근방의 후류영향만을 고려하였고, 원방 후류에의해서 유도되는 내리 흐름(downwash) 는 고려하지 않았지만, 본 계산의 목적이 BERP 와 NRSB-I의 상대적인 공력 성능의 차이를 검토하는데 있으므로, 정성적인 비교는 충분히 가능하다고 판단된다[9, 10].
- 전체적으로 75% R 이후에는 NRSB-lo] BERP 보다 작은 단면 추력을 갖는 것을 알 수 있으며, 이는 주어진 위치에서 NRSB-I의 비틀림각이 더 크기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 경향은 피치각이 커질수록 심화되는 것으로 보인다.
- 전체적인 경향은 피치각 5도일 경우와 대동소이하나 97% R 위치에서는 깃끝 박리에 의하여 suction peak가 상당히 약화되었음을 볼 수 있다.
후속연구
- 본 계산에서는 와류의 생성, 전파 및 소멸을 부가적인 물리적 가정 없이 자체적으로 모사할 수 있는 Navier-Stokes 방정식을 이용하였으며, 계산 시간의 단축을 위하여 원방의 후류 효과는 받음각교정기법 (angle-of-attack correction)을 이용하여간단 하게 처리하였다. NRSB-I 블레이드에 대한보다 정확한 성능 해석을 위해서, 추후 계산에서는 후류포착 기법 (Wake Capturing Method)을이용할 예정이다[4, 5].
- 따라서, kink 에서의 와류 강도가 깃끝 와류와 동일하게 유지되기 위해서는 펜스를 고려해야 할 것으로 판단된다. 적절한 펜스의 두께와 높이는 향후의 parametric study를 통하여 결정될 것이다.
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