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활주로 방향에 수직인 유동이 활주로에 미치는 영향에 대한 3차원 수치해석
The 3D numerical analysis on runway with the flow in direction perpendicular to the runway 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.14 no.4 = no.43, 2010년, pp.479 - 488  

홍교영 (한서대학교 항공기술연구소) ,  신동진 (한서대학교 항공기계학과)

초록
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본 논문은 활주로 방향에 수직인 바람이 불어올 때 이로 인하여 활주로에 발생되는 유동현상과 받음각 변화량을 3차원 수치해석을 통하여 연구하였다. 3차원 수치해석결과 활주로 주변 시설물에서 발생된 후류로 인하여 활주로 상에서 발생되는 받음각 변화량의 최대진폭은 $6^{\circ}$이고 그 지속 시간은 약 1초 이내로 나타났으며 전체적으로 보면 불규칙적인 비주기적 성향으로 나타난다. 특히 시설물 사이를 통과한 빠른 흐름으로 인하여 발생된 후류가 병합되면서 더욱 강한 후류영역을 발생시켜 활주로 상에서 심각한 이착륙 불안정성을 발생시킬 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The aim of this paper is to research the change in the turbulent flow and the AOA occurred by the wind perpendicular to the direction of runway according to the three-dimensional numerical analysis. The maximum amplitude of AOA variation on runway reached $6^{\circ}$ within 1 second becau...

주제어

#turbulence   #CFD   #runway   #whirlpool phenomenon   #turbulent flow   #soldier's wind   #pilotless  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 3차원 전산수치해석을 통하여 활주로 방향에 수직으로 발생되는 유동이 활주로에 미치는 영향에 대하여 알아보았으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 일반적으로 활주로를 건설할 때 측풍에 대하여 많은 고려를 하지만[9]-[11] 이는 단순히 건설지형 주변에서 발생되는 기상현상에 대한 데이터를 사용할 뿐 활주로가 완성된 이후에는 활주로 주변 지형 및 환경이 변하게 되어 활주로 건설 초기에 측정된 풍향이나 풍속이 크게 변할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 활주로 주변의 지형 대한 유동변화를 3차원 수치해석을 통해 우선 계산하고 계산된 결과를 이용하여 활주로 주변 시설물로 발생된 유동이 활주로에 미치는 현상을 3차원 수치해석을 통하여 연구하였다.
  • 본 논문은 활주로 주변 시설물에 측풍이 불어올 때 이로 인하여 발생되는 흐름이 활주로에 미치는 영향에 대한 3차원 수치해석이다. 따라서 활주로에 불어오는 풍향 ․ 풍속에 대한 기상 데이터의 분석이 반드시 필요하다.
  • 본 연구는 경량항공기나 중·소형 무인 항공기 등이 활주로를 이착륙할 때 주변 시설물로 인하여 발생되는 유동현상에 어떤 영향을 받을 것인지 조사하고 그로 인하여 발생되는 이착륙 조종불안정성의 방지대책을 세우는 연구의 한 부분으로 선행 연구된 2차원 유동해석의 결과를 검증하고 활주로 주변 시설물을 통과한 유동이 활주로에 어떤 영향을 미치게 될 것인지 조사하는 연구이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
활주로를 이착륙하는 비행기는 어떤 영향을 받는가? 활주로를 이착륙하는 비행기는 활주로에서 발생되는 측풍이나 돌풍 그리고 windshear 등에 의해 발생되는 흐름에 크게 영향을 받는다고 알려져 있다[1][2]. 이러한 유동현상은 대형 항공기뿐만 아니라 중·소형 항공기에 큰 영향을 미치게 되고 이 중에서 windshear의 예측에 대한 방법이나 이착륙 중인 항공기에 발생되는 와류와 공항운영에 대한 연구가 주로 연구되었으며[3][4], 최근에는 비행장 주변에서 발생되는 유동이 공항 건물에 미치는 환경적 영향에 대한 연구가 진행된 정도이다[5].
연구에 이용된 활주로의 모델링 시, 구릉지의 영향을 고려해야만 하는 이유는? 활주로 주변은 최대 높이 45m정도의 구릉지가 있고, 활주로와 나란한 방향으로 시설물이 건설되어 있다. 특히 구릉지의 일부분을 절단하고 시설물을 건설했기 때문에 구릉지의 영향을 고려해야만 한다. 그렇다고 모든 영역에 계산격자를 만든다는 것은 물리적으로 제한된 메모리용량을 초과하기 때문에 모델링이 불가능하다.
3차원 전산수치해석을 통하여 활주로 방향에 수직으로 발생되는 유동이 활주로에 미치는 영향에 대하여 알아본 결과 어떤 결론을 얻었는가? 활주로 주변 시설물의 단면형태와 배치에 따라 활주로에서 발생되는 후류의 영역의 크기와 강도가 달라진다는 것을 알 수 있었다. 이는 2차원 전산수치해석을 이용한 선행연구의 결과와도 잘 일치한 것이며, 받음각 변화량의 최대 진폭은 경량항공기인 유로스타를 기준으로 약 6°정도로 나타났다. 관제탑이 위치한 영역의 경우 시설물 후류에 의한 받음각 변화량이 다른 영역에 비하여 1/2 이하로 감소하였으며 이는 관제탑 뒤편에 위치한 기숙사를 통과하면서 감속된 흐름 때문이다. 따라서 활주로 건설 시 주변 시설물을 적절하게 배치한다면 활주로에서 발생될 수 있는 받음각변화의 진폭을 크게 감소시킬수 있을 것이다. 활주로 주변 시설물에서 발생된 vortex core의 경로와 속도분포를 관찰한 결과 건물과 건물 사이를 통과한 빠른 흐름이 건물에서 발생되는 후류의 발생을 방해하지만, 건물에서 발생된 와류가 이러한 흐름에 밀려나면서 다른 영역에서 발생된 와류와 병합되어 활주로 상에서 더 강한 후류로 발달된다는 것을 알 수 있었다. 이러한 지역은 다른 지역에 비하여 활주로에서 더 큰 받음각 변화량을 발생시키데, 이렇게 병합된 후류는 활주로지역을 넘어 계속 발달되는 것이 관찰 되었다. 활주로 주변 시설물을 통과한 흐름에 의해 발생된 받음각 변화량의 주파수 분석결과 주기가 최소 1초에서 최대 3초정도의 불규칙적인 진동이 발생되는 것으로 나타났으며, 중․소형 무인항공기와 같이 접근 속도 및 착륙 직전 속도가 일반 항공기에 비하여 느린 경우 동일한 수직속도 변화에 대해서 더 큰 받음각 변화의 진폭을 가지게 될 것이며, 이와 같은 큰 변화는 비행 안정성에 큰 문제로 작용할 것으로 판단된다. 물론 급작스러운 비행자세 변화를 지상조종사가 감지하여 수동 조종하더라도 지상 조종사의 능력에 따라 무인항공기의 이착륙이 결정되므로 활주로 주변 시설물의 형상과 배치에 따른 측풍과의 관계를 규명하여 그 영향을 최소로 할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
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참고문헌 (15)

  1. Fred H. Proctor and David A. Hinton, "A Windshear Hazard Index", Preprints of 9th Conference on Aviation, Range and Aerospace Meteorology 11-15 September 2000. pp. 482-487. 

  2. P. Douglas Arbuckle, Michael S. Lewis, and David A. Hinton, "Airborne Systems Technology Application of the Windshear Threat", International Counoil of the Aeronautical Sciences Paper Number 95-5.7.1, Sep. 1996 

  3. Fred H. Proctor, "Interaction of Airciaft Wakes from Laterally Space Aircraft", American Institute of Aeronautics and Astronautics 092407 

  4. Y.S. Ebrahimi, "Parallel Runway Requirement Analysis Study", NASA Contractor Report 191549, Volume 1, December 1993. 

  5. P. Neofyton, A.G. Venetsancs, D. Vlachogiannis, J.G. Bartzis, A. Scaperdas, "CFD simulations of the wind environment round an airport terminal building", Emironmental Modelling & Software 21, pp.520-524, 2006. 

    상세보기 crossref

  6. 홍교영, 신동진, 박수복, "활주로 주변건물을 지나는 측풍에 의한 이착륙 항공기의 받음각 감소에 관한 연구", 한국항공운항학회지, 제17권 제2호, pp.1-7, 2009. 6. 

    원문보기 상세보기

  7. 홍교영, 신동진, "활주로 주변 건물로 인하여 발생되는 Ground Turbulence 감소 방안", 한국항행학회 논문지, 제13권 제6호, pp. 820-830. 2009. 12. 

    원문보기 상세보기

  8. 신동진, 홍교영, 김영인, :활주로 주변에 설치된 fence가 Ground Turbulence에 미치는 영향에 대한 연구", 한국항공운항학회지, 제17권 제4호, pp. 32-41, 2009. 12. 

    원문보기 상세보기

  9. 국토해양부, "비행장시설 설치기준(국토해양부 고시 제2009-346호)", pp.2-2, 2009. 

  10. ICAO, "Doc. 9184-Airport planning manual Part I. Master lpanning", pp. I-35-I-37, 2008. 

  11. ICAO, "Annux. 14-Aerodrome", Vol. I, 2008. 

  12. Cessna Aircraft Company, "Pilot's Operating Handbook and FAA Approved Airplane Flight Manual", CESSNA MODEL 172s, 1998. 

  13. FLUENT Inc., "FLUENT6 User's Guide Volume 2", pp. 10-15 - 10-16, 2006. 

  14. Evektor Aircraft Company, "EV97 Operating Manual", 2006. 

  15. 노건수, "항공기 성능", 도서출판 공간아트, pp. 176-178, 2009. 

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