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문제 정의
- 본 연구에서는 유상하중 20 kgf급 농용무인헬기 개발의 제4보로서 헬리콥터의 양력을 구현하는 로터시스템을 설계하고 양력 성능을 평가한 제3보의 결과를 CFD를 통한 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 이 비교를 통하여 로터 주위의 유동을 해석하고, 검증된 최적의 운용조건을 얻으려 하였다.
가설 설정
- 로터블레이드에서의 벽면 경계 조건은 상대 속도에 대한 접선방향 유도 조건을 적용하여, 블레이드의 면에서 삼각형 요소의 격자를 구성하였고 난류 모델로는 K-e모델을 적용하였다. 자유흐름 난류에 의한 난류강도를 결정하기 위하여 난류운동에너지인 K값을 식(3)을 이용하여 계산하였으며, 자유흐름속도에 곱해져 난류요동속도의 값을 계산할 와류강도는 1% 정도로 가정하였다.
제안 방법
- 6º에서 8º로의 받음각 증가에 따른 총 양력의 증가율은 로터 끝단(R01)의 양력 증가율에 비례함을 알 수 있었으므로, 받음각 10º와 12º에 대하여는 끝단만의 시뮬레이션을 통하여 총 양력을 예측하였고, 각각 95와 105 kgf으로 계산되었다.
- CFD-ACE는 비정렬메시(unstructured mesh)를 지원하는 유체 해석용 solver로서, 정렬메시(structured mesh)와 전자와의 혼합인하이브리드 메시(hybrid mesh)의 지원이 가능하며 다양한 커플링 시스템을 통한 해석 프로그램이다. CFD-GEOM 에서 해석의 바탕이 되는 기본 작업인 CAD작업으로부터 이를 CFD-ACE에서 불러, 다음에 식들에서 보인 변수를 입력함으로써 다양한 받음각(angle of attack) 에 대하여 CFD기법 에 의해 시뮬레이션하였으며, CFD-VIEW를 이용하여 로터 주위의 속도의 분포, 압력 분포 등을 얻을 수 있었다(CFD- ACE(+) Modules Manual. 2004).
- 개발 헬리콥터에 적용된 SW04 블레이드의 유상하중에 대한 성능을 실험한 제3보의 실험 결과와 CFD를 통한 시뮬레이션 결과를 비교 분석한 결론을 다음에 요약하였다.
- 325 kPa)을 나타내는 선위쪽의 그래프가 에어포일의 하면에 발생하는 양(110 kPa)압력이며, 아래쪽에서 표시한 음(90 kPa)압력은 에어포일의 상면에서의 압력 분포이다. 두 압력차가 양력의 근원이 되는 상향 압력이 되며, 이 압력을 에어포일면을 따라 적분하고 로터의 설정구간(10 cm) 에 대하여 총합하여 구간에서 발생한 양력이 계산되었다. 그림7은 받음각 6º에서의 X방향속도(u)와 y방향속도(V)분포를 나타내는 시뮬레이션 결과이다.
- 프로파일 압력 분포에 의해 로터하면에 발생하는 양 압력(+)과 상면에 나타내는 음압력(-)을 더한 값이 총 압력차이를 나타냈으며, 에어포일면과 로터 길이를 따라 적분할 때 비로소 양력으로 계산되었고 각 구간의 총 양력을 N/m의 단위로 적분하였다. 로터 전 길이에 걸쳐 각 10 cm 간격으로 양력을 적분한 값으로 양력의 분포를 kgf/10 cm의 단위로 나타냈으며, 구간별 양력을 모두 합한 값에 두 배하여 兩로터가 발휘하는 양력으로 계산되었다.
- 상기한 airfoil을 수치화하고 CFD-GEOM으로 grid를 형성하였으며 분석 영역인 流動場을 설정하여 그림 3에 나타내었다. 반원의 지름에 해당하는 부분을 유동장의 유입 부분(inlet) 으로 110개의 격자를 설정하였으며, 에어포일의 표면에서 일어나는 유동의 영향이 미치지 않는 상당한 거리를 두어farfield(25xchord)를 설정하였다. 유동장의 출구부(outlet)을 설정한 후 비정렬 격자를 사용하여 250개의 격자를 생성시켰다.
- 본 연구에서는 유상하중 20 kgf급 농용무인헬기 개발의 제4보로서 헬리콥터의 양력을 구현하는 로터시스템을 설계하고 양력 성능을 평가한 제3보의 결과를 CFD를 통한 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 이 비교를 통하여 로터 주위의 유동을 해석하고, 검증된 최적의 운용조건을 얻으려 하였다.
- 반원의 지름에 해당하는 부분을 유동장의 유입 부분(inlet) 으로 110개의 격자를 설정하였으며, 에어포일의 표면에서 일어나는 유동의 영향이 미치지 않는 상당한 거리를 두어farfield(25xchord)를 설정하였다. 유동장의 출구부(outlet)을 설정한 후 비정렬 격자를 사용하여 250개의 격자를 생성시켰다. 비정렬 격자(unstructured grid)는 격자 배치계의 불규칙성으로 인하여 원하는 유동영역에 대한 격자 적응성이 매우 용이하여 끝단와류가 존재하는 영역에 대하여 국부적으로 해상도를 증가시킬 수 있는 이점이 있다 (강희정 등, 2001).
- 대표적으로 로터 주위의 압력 분포(p), 속도의 분포(U, V), 유동선도 및 로터면을 따라 얻어진 프로파일 압력 분포 등을 얻을 수 있었다. 프로파일 압력 분포에 의해 로터하면에 발생하는 양 압력(+)과 상면에 나타내는 음압력(-)을 더한 값이 총 압력차이를 나타냈으며, 에어포일면과 로터 길이를 따라 적분할 때 비로소 양력으로 계산되었고 각 구간의 총 양력을 N/m의 단위로 적분하였다. 로터 전 길이에 걸쳐 각 10 cm 간격으로 양력을 적분한 값으로 양력의 분포를 kgf/10 cm의 단위로 나타냈으며, 구간별 양력을 모두 합한 값에 두 배하여 兩로터가 발휘하는 양력으로 계산되었다.
대상 데이터
- 헬리콥터에 사용된 메인로터(, SW04, airfoil)의 양력의 실험의 결과를 시뮬레이션과 비교 분석하기 위하여 CFD-ACE 프로그램을 이용하였다. 사용된 로터의 전장은 1, 225 mm, 헤드부를 포함하여 로터직경은 2, 765 mm 였으며(Y.M.K00 et al., 2006b), 그림2에 보인 단면형상을 하고 있다. 에어포일의 앞단과 끝단을 잇는 거리 즉 시위길이(chord length)는 93 mm 이며, 두께는 12 mm 였다.
- 그림 6은 개발 헬리콥터에 장착된 로터블레이드 airfoil (SW04)의 실제 단면에 대하여 CFD-ACE를 이용한 전형적인 유동해석의 결과이다. 시뮬레이션 결과는 단면에 나타나는 속도분포와 압력 분포를 시각적으로 또한 단면선의 수치 자료로 보였다. 그림 6(b)에서 타원 모양은 에어포일의 위치를 나타내고 있으며 시위길이의 상대적 위치 (relative chord) 에 표시하였다.
데이터처리
- 헬리콥터에 사용된 메인로터(, SW04, airfoil)의 양력의 실험의 결과를 시뮬레이션과 비교 분석하기 위하여 CFD-ACE 프로그램을 이용하였다. 사용된 로터의 전장은 1, 225 mm, 헤드부를 포함하여 로터직경은 2, 765 mm 였으며(Y.
이론/모형
- 로터블레이드에서의 벽면 경계 조건은 상대 속도에 대한 접선방향 유도 조건을 적용하여, 블레이드의 면에서 삼각형 요소의 격자를 구성하였고 난류 모델로는 K-e모델을 적용하였다. 자유흐름 난류에 의한 난류강도를 결정하기 위하여 난류운동에너지인 K값을 식(3)을 이용하여 계산하였으며, 자유흐름속도에 곱해져 난류요동속도의 값을 계산할 와류강도는 1% 정도로 가정하였다.
- 시뮬레이션에는 CFDRC에서 개발된 CFD-ACE를 이용하였다. CFD-ACE는 비정렬메시(unstructured mesh)를 지원하는 유체 해석용 solver로서, 정렬메시(structured mesh)와 전자와의 혼합인하이브리드 메시(hybrid mesh)의 지원이 가능하며 다양한 커플링 시스템을 통한 해석 프로그램이다.
성능/효과
- (1) CFD 시뮬레이션에서 에어포 일 상부 면에서 속도가 증가하여 음압이 발생하고, 하부면에서 양압이 발생하는 양력의 원리를 확인하였으며 선단에서의 저항인 항력과 말단에서의 유속의 박리현상을 확인하였다.
- (2) 압력 분포를 면적에 대하여 적분하고 블레이드 10 cm 단위 길이에 대하여 양력을 계산하여 兩블레이드에 대하여 총합하면 받음각(피치각) 6°, 8°, 10º에서 56.8, 74.4와 95.0 kgf의 예측 결과를 얻었다.
- (3) 실험의 결과를 상기한 시뮬레이션과 총 양력으로 비교하면, 6º와 8º에서는 잘 일치하였지만 10º에서부터 실험치가 작게 나타나기 시작했다.
- (4) 받음각(피치각) 12º에 대한 시뮬레이션은 105 kgf의 증가하는 총 양력을 얻었으나, 실험에서는 82.4-84.6 kgf정도로 오히려 감소하는 현상을 보였다. 이 이유는 실험에서 10º이상의 받음각에서 항력을 이길 만큼 충분한 동력을 공급받지 못하였기 때문이다.
- (5) 失速(stall)이 시작되는 받음각 18º에 대한 시뮬레이션 결과는 말단에서의 소용돌이 생성을 통하여 확인할 수 있었으며, 동력이 충분히 공급되면 양력은 약 18º까지 계속하여 증가할 수 있을 것으로 예측하였다.
- CFD를 이용한 시뮬레이션 결과에서 6º로부터 8º 및 10º로 받음각이 증가함에 따라 양력이 증가할 것으로 예상하였으며, 실제 비행 실험을 하기 전 로터의 적절한 피치각을 예단하는 데 중요한 참고자료가 되었다 또한 로터의 에어포 일 단면에서 일어나는 공기역학적인 현상과 로터 선단 및 말단에서 일어나는 유동 현상 등을 예측하는 데 매우 중요한 자료가 될 수 있었다.
- 그러나 상면의 -양력 분포는 현격한 차이를 보였다. 로터 끝단(R01) 10 cm의 양력으로 비교하면 6º와 8º에서 각각 5.87과 7.59 kgf/10 cm의 크기를 나타내어 약 29.37%의 증가를 보였으며, 兩로터에 대한 전 구간에 서의 양력은 6º와 8º에서 각각 56.8과 74.4 kg(으로 계산되어 약 30.9% 증가하였음을 알 수 있었다.
- 시뮬레이션의 결과는 CFD-VIEW를 통하여 다양한 분석 데이터를 가시적으로 혹은 수치적으로 표현할 수 있었다. 대표적으로 로터 주위의 압력 분포(p), 속도의 분포(U, V), 유동선도 및 로터면을 따라 얻어진 프로파일 압력 분포 등을 얻을 수 있었다.
- 최대 양력은 받음각 10º에서 약 88 kgf 정도로 판단되므로 자중의 63 kgf을 이기고 약 25 kgf의 유상하중을 예상할 수 있었다. 이는 추가적인 살포장치를 감안하여 약 20 L정도의 약액을 실을 수 있는 능력을 갖추었다고 결론할 수 있었다.
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