지면효과의 여러 현상을 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 해석하고 공기역학적인 관점에서 그 결과를 분석하였다. 2차원 지면효과에 대해서는 이미지 와류에 의한 약형 표면의 압력변화, 두께의 영향, 지면효과의 비점성 유동 현상 등을 확인하였으며, 3차원 지면효과로 익단와류 강도의 증가현상과 유효스팬 증가, 익단와류의 바깥 흐름현상 등을 확인하였다. 또한, 재래식 익형인 NACA 6409와 러시아의 WIG기 전용익형인 DHMTU 8-30에 대해서 Irodov의 조건식을 사용하여 새로 정안정성을 해석하였다. 해석결과, DHMTU 8-30 익형의 세로 정안정성이 NACA 6409 익형보다 훨씬 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 DHMTU 8-30을 WIG기에 사용할 경우 NACA 6409에 비해 꼬리날개 부피비를 현저히 줄일 수 있음을 확인하였다.
지면효과의 여러 현상을 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 해석하고 공기역학적인 관점에서 그 결과를 분석하였다. 2차원 지면효과에 대해서는 이미지 와류에 의한 약형 표면의 압력변화, 두께의 영향, 지면효과의 비점성 유동 현상 등을 확인하였으며, 3차원 지면효과로 익단와류 강도의 증가현상과 유효스팬 증가, 익단와류의 바깥 흐름현상 등을 확인하였다. 또한, 재래식 익형인 NACA 6409와 러시아의 WIG기 전용익형인 DHMTU 8-30에 대해서 Irodov의 조건식을 사용하여 새로 정안정성을 해석하였다. 해석결과, DHMTU 8-30 익형의 세로 정안정성이 NACA 6409 익형보다 훨씬 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 DHMTU 8-30을 WIG기에 사용할 경우 NACA 6409에 비해 꼬리날개 부피비를 현저히 줄일 수 있음을 확인하였다.
Several notes on ground effects drawn from Navier-Stokes analyses and their aerodynamic interpretations were addressed here; For two-dimensional ground effect, the change of surface pressure due to image vortex, the venturi effect due to thickness and the primary inviscid flow phenomena of ground ef...
Several notes on ground effects drawn from Navier-Stokes analyses and their aerodynamic interpretations were addressed here; For two-dimensional ground effect, the change of surface pressure due to image vortex, the venturi effect due to thickness and the primary inviscid flow phenomena of ground effect, and for three-dimensional ground effect, strengthened wing tip vortices, increased effective span and the outward drift of trailing vortices. Irodov's criteria were evaluated to investigate the static longitudinal stability of conventional NACA 6409 and DHMTU 8-30 airfoils. The analysis results demonstrated superior static longitudinal stability of DHMTU 8-30 airfoil. The DHMTU airfoil has quite lower value of lrodov's criterion than the conventional NACA airfoil, which require much smaller tail volume to stabilize the whole WIG-craft at its design stage.
Several notes on ground effects drawn from Navier-Stokes analyses and their aerodynamic interpretations were addressed here; For two-dimensional ground effect, the change of surface pressure due to image vortex, the venturi effect due to thickness and the primary inviscid flow phenomena of ground effect, and for three-dimensional ground effect, strengthened wing tip vortices, increased effective span and the outward drift of trailing vortices. Irodov's criteria were evaluated to investigate the static longitudinal stability of conventional NACA 6409 and DHMTU 8-30 airfoils. The analysis results demonstrated superior static longitudinal stability of DHMTU 8-30 airfoil. The DHMTU airfoil has quite lower value of lrodov's criterion than the conventional NACA airfoil, which require much smaller tail volume to stabilize the whole WIG-craft at its design stage.
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문제 정의
날개의 유효 가로세로비의 증가는 양력곡선 기울기를 증가시키고 유도항력을 감소시켜서 전체적으로 양항비가 증가되는 경향을 보이게 된다. 본 논문에서는 지면 효과를 받는 3차원 날개에 대해 Navier-Stokes 해석을 통하여 이러한 이론을 확인하고자 하였다.
본 논문에서는 지면 효과에 대한 선행연구[8, 9]를 바탕으로 지면 효과의 여러 현상을 Navier- Stokes 방정식을 이용하여 해석하고 공기역학적 인 관점에서 그 결과를 고찰하였다. 또한 이를 바탕으로 WIG기에 사용되는 대표적인 익형에 대하여 이.
앞에서 지면 효과에 대한 여러 현상을 와류 이론 을 이용하여 공기역학적으로 설명하였다. 여기서는 이러한 지면 효과 현상이 점성과 무관한 비점성 유동 현상인지 또는 점성과 관련이 있는지에 대해 분석하여 보았다. 이를 위하여 지면 효과를 갖는 익형에 대해서 점성 유동과 비점성 유동해석을 동시에 수행하여 비교하였다.
제안 방법
NACA 4412 익형을 사용하여 지면 고도를 변화시켜가면서 지면 효과의 유, 무시 양력과 피칭 모멘트의 비를 조사하였다. 레이놀즈수는 3x10°, 받음각은 4°이다.
이는 2차의 정확도를 가지는 중앙 차분을 사용하더라도 마찬가지다. 그래서 본 논문에 서는 유한차분법 대신에 피칭모멘트계수와 양력계수를 회귀분석을 이용하여 지면 고도에 대한 비선형 함수로 곡선적합(curve fitting)한 후에 이함수를 직접 미분하여 기울기를 구하는 방법을 사용하였다.
여기서는 우선 재래식 NACA 익형을 이용하여 지면 효과에 의해서 정안정성이 어떻게 변화하는지를 먼저 파악하였다. 그리고 러시아의 WIG기 인 Ekranoplan을 위해 개발된 DHMTU 익형에 대하여 정안정성을 해석하여 서로 비교해 봄으로써 정안정성 확보를 위해 러시아에서 채택한 아이디어를 확인하였다.
다음으로는 DHMTU 계열 중에서 DHMTU 8-30, 1-20, 2-60, 15.3익형 (Fig. 14)에 대하여 세로 정안정성을 해석하였다. DHMTU 익형은 S-형태의 평균캠버선을 가지고 있다.
해석 결과를 바탕으로 지면 효과 현상을 공기역학적으로 설명하였다. 또한 지면 효과에 의해서 세로 정안정성이 받는 영향을 분석하기 위하여 재래식 NACA 6409 익형과 DHMTU 8-30 익형에 대해 세로 정안정성을 해석하였다. 주요 결과를 정리하면 다음과 같다.
앞에서 지면 효과에 대한 여러 현상을 와류 이론 을 이용하여 공기역학적으로 설명하였다. 여기서는 이러한 지면 효과 현상이 점성과 무관한 비점성 유동 현상인지 또는 점성과 관련이 있는지에 대해 분석하여 보았다.
그러므로 지면 효과에 의한 정안정성의 변화를 해석하고 이를 바탕으로 우수한 정안정성을 가진 날개를 설계하는 것은 WIG기의 실용화에 큰 도움이 된다. 여기서는 우선 재래식 NACA 익형을 이용하여 지면 효과에 의해서 정안정성이 어떻게 변화하는지를 먼저 파악하였다. 그리고 러시아의 WIG기 인 Ekranoplan을 위해 개발된 DHMTU 익형에 대하여 정안정성을 해석하여 서로 비교해 봄으로써 정안정성 확보를 위해 러시아에서 채택한 아이디어를 확인하였다.
우선 WIG기에 자주 사용되고 있는 재래식 익형인 NACA 6409(Fig. 14)에 대해서 정안정성을 해석하였다. 지면 효과를 받는 NACA 6409 익형에 대해서 Fig.
여기서는 이러한 지면 효과 현상이 점성과 무관한 비점성 유동 현상인지 또는 점성과 관련이 있는지에 대해 분석하여 보았다. 이를 위하여 지면 효과를 갖는 익형에 대해서 점성 유동과 비점성 유동해석을 동시에 수행하여 비교하였다. FLUENT는 비점성 오일러 해석과 점성 Navier-Stokes 해석을 동시에 수행할 수 있다.
이와 같은 두께의 영향은 실제 WIG기를 설계할 때에도 (특히 이.착수시) 영향을 미치게 될 것이므로 이를 정량적으로 분석하여 보았다. Fig.
(4) 3차원 지면 효과로서 날개의 유효스팬이 증가하며, Wieselsberger[13] 이론과는 달리 익단와 류 강도가 증가함을 확인하였다. 익단와류가 지면(이미지 와류)에 의해 바깥쪽으로 흐르는 (drift) 현상도 확인하였다.
지면 효과를 갖는 2차 원 익형과 3차원 날개에 대하여 FLUENT를 이용하여 전산유체해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 지면 효과 현상을 공기역학적으로 설명하였다.
1의 직사각형 날개를 선정하였다. 지면고도가 0.3일 때와 지면 효과가 없을 때를 서로 비교하였다.
또한 이를 바탕으로 WIG기에 사용되는 대표적인 익형에 대하여 이.착수시와 순항시 정안정성의 변화를 분석하였다.
지면 효과를 갖는 2차 원 익형과 3차원 날개에 대하여 FLUENT를 이용하여 전산유체해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 지면 효과 현상을 공기역학적으로 설명하였다. 또한 지면 효과에 의해서 세로 정안정성이 받는 영향을 분석하기 위하여 재래식 NACA 6409 익형과 DHMTU 8-30 익형에 대해 세로 정안정성을 해석하였다.
대상 데이터
11)를 사용하였다. 3차원 지면 효과 현상을 간략화된 모델을 통하여 규명을 용이하게 하기 위하여 대칭형 익형 NACA 0012를 가진 가로세로비 3.1의 직사각형 날개를 선정하였다. 지면고도가 0.
이론/모형
3차원 지면 효과에 대한 Navier-Stokes 해석에 들어가기 전에 먼저 해석 기법의 검증을 수행하였다. Jacob[15] 의지면효과를 갖는 NACA 4415 익형의 직사각형 날개에 대해 풍동시험 결과(받음각 0°, 5°, 10°)와 비교를 하였는더], 잘 일치함을 볼 수 있다(Fig.
2xl05이다. 난류 모델은 낮은 받음각의 부착흐름(attached flow)이 대부분인 날개의 공기역학적 특성 해석에 잘 맞는 것으로 알려진 Spalart-Allmaras 모델을 사용하였다 [9, 10].원방 경계로서 익형 시위의 10배 거리를 갖는 H-형 정렬격자(Fig.
레이놀즈수는 2.1x106, 난류 모델은 Spalart- Allmaras 모델을 사용하였고, 원방 경계가 시위의 10배를 갖는 H-형 격자계(Fig. 11)를 사용하였다. 3차원 지면 효과 현상을 간략화된 모델을 통하여 규명을 용이하게 하기 위하여 대칭형 익형 NACA 0012를 가진 가로세로비 3.
레이놀즈수는 3x10°, 받음각은 4°이다. 비점성 해석을 위해서는 익형의 뒷전에서 Kutta 조건을 별도로 적용하였다.
여기서 e는 Oswald 스팬효율 계수로서 Fig. 12의 양항곡선을 바탕으로 곡선적합 (curve fitting)을 통해 구하였다. Fig.
지면 효과에 대한 수치 해석은 Navier-Stokes 해석코드인 FLUENT[10]를 이용하였다. 일반적으로 지면으로부터의 고도가 높은 영역에서는 비점성 해석 기법인 VLM(Vortex Lattice Method)도 어느 정도 실험 결과와 유사한 경향을 보여준다[8].
지면 효과에 의한 유효스팬(또는 가로세로비) 증가 현상을 분석하기 위해 Oswald 스팬효율 계 수를 이용하였다. 대칭익형일 경우 양항곡선은 다음과 같이 표시된다.
성능/효과
(2) 두께에 대한 지면 효과는 음의 양력으로 나타나며, 개략적으로 9% 두께비는 지면 고도(h/C)가 0.4, 15%는 0.6 정도 이상이 되어야 두께의 영향에서 벗어날 수 있다.
(3) 지면에 아주 근접하는 등의 몇몇 경우를 제외하고는 지면 효과의 대부분은 비점성 유동 현상 으로 설명할 수 있다.
(4) 3차원 지면 효과로서 날개의 유효스팬이 증가하며, Wieselsberger[13] 이론과는 달리 익단와 류 강도가 증가함을 확인하였다. 익단와류가 지면(이미지 와류)에 의해 바깥쪽으로 흐르는 (drift) 현상도 확인하였다.
(5) NACA 6409 익형은 세로 정안정성이 부족한 반면 DHMTU 8-30 익형은 익형 자체로서 거의 세로 정안정성이 확보되는 것을 확인하였다. 그러므로 DHMTU 8-30 익형을 WIG기에 사용할 경우 NACA 6409와 같은 재래식 익형에 비해 꼬리날개 부피비를 현저히 줄일 수 있고, 중량과 트림 항력 등에서 유리한 설계를 할 수 있을 것으로 예상된다.
이러한 현상은 참고문헌[9, 1기에서도 이미 확인한 바 있다. 결과는 본 Navier-Stokes 해석이 거의 정확히 실험과 일치하는 예측을 할 수 있음을 보여주고 있다.
(5) NACA 6409 익형은 세로 정안정성이 부족한 반면 DHMTU 8-30 익형은 익형 자체로서 거의 세로 정안정성이 확보되는 것을 확인하였다. 그러므로 DHMTU 8-30 익형을 WIG기에 사용할 경우 NACA 6409와 같은 재래식 익형에 비해 꼬리날개 부피비를 현저히 줄일 수 있고, 중량과 트림 항력 등에서 유리한 설계를 할 수 있을 것으로 예상된다.
착륙하는 일반 항공기에서는 볼 수 없는 현상이다. 이러한 정안정성 해석을 통하여 전통적인 항공기용의 NACA 익형에 비해 러시아의 WIG 기인 Ekranoplan 을 위해 개발된 DHMTU (Department of Hydro-mechanics of the Marine Technical University at Saint Petersburg) 익형 의 우수성을 확인할 수 있었다.
참고문헌 (17)
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신명수, 라승호 외, "중형해면효과여객선 핵심기술개발-선형설계 및 추진성능기술", 한국기계연구원 선박해양공학연구센터, 1998.
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김기은, 이동환, "해면효과익선개발에 관한 기초연구", 제3회 항공기 개발기술 심포지엄, 국방과학연구소, pp. 123-132, 1995.
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박근홍, 조창열, "Navier Stoked 방정식을 이용한 2차원 지면효과의 해석", 한국항공우주학회 춘계학술발표회 논문집, pp. 247-250, 2000.
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Hayashi M. and Endo E., "Measurement of Flow Fields Around an Airfoil Section with Separation" Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci., Vol. 21, No. 52, pp. 69-75, 1978.
Wieselsberger, C., "Wing Resistance Near the Ground", NACA TM77, April 1922.
Ranzenbach, R. and Barlow, J. B., "Two-Dimensional Airfoil in Ground Effect, An Experimental and Computational Study", Vol. 1, issue 287, pp. 241-250, G.L.M Wind Tunnel, Dec. 1994.
Jacob, K., "Advanced Method for Computing Flow Around Wings with Rear Separation and Ground Effect", Journal of Aircraft, Vol. 24, No. 2, pp. 126-128, 1987.
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