익형주위 착빙 현상과 관련한 기존 연구는 수치적으로 예측된 결빙형상과 실험 결과를 정성적으로 비교하는데 그쳐, 해석 결과의 정확도에 대한 판단과 외기 조건 변화에 따른 결빙형상의 체계적 분석에 한계가 있었다. 이에 본 논문에서는 실린더와 익형의 결빙 형상을 가용한 실험 및 타 수치해석 결과와 비교, 검증하고 정량적으로 분석하는 연구를 수행하였다. 먼저, 개발된 코드로부터 획득한 결빙형상을 얼음의 최대두께와 얼음의 진행방향, 얼음의 분포, 얼음의 면적을 기준으로 나타낸 후 이를 정량적으로 분석하였다. 정량적 분석을 통해 유사한 결빙 형상을 직관적으로 비교할 수 있었다. 개발한 수치해석 코드는 아랫면에서의 결빙 면적, 얼음의 두께를 작게 예측하였다. 이를 개선하기 위하여 보다 정밀한 유동장 계산을 통해 획득한 입자의 궤적이 요구된다.
익형주위 착빙 현상과 관련한 기존 연구는 수치적으로 예측된 결빙형상과 실험 결과를 정성적으로 비교하는데 그쳐, 해석 결과의 정확도에 대한 판단과 외기 조건 변화에 따른 결빙형상의 체계적 분석에 한계가 있었다. 이에 본 논문에서는 실린더와 익형의 결빙 형상을 가용한 실험 및 타 수치해석 결과와 비교, 검증하고 정량적으로 분석하는 연구를 수행하였다. 먼저, 개발된 코드로부터 획득한 결빙형상을 얼음의 최대두께와 얼음의 진행방향, 얼음의 분포, 얼음의 면적을 기준으로 나타낸 후 이를 정량적으로 분석하였다. 정량적 분석을 통해 유사한 결빙 형상을 직관적으로 비교할 수 있었다. 개발한 수치해석 코드는 아랫면에서의 결빙 면적, 얼음의 두께를 작게 예측하였다. 이를 개선하기 위하여 보다 정밀한 유동장 계산을 통해 획득한 입자의 궤적이 요구된다.
In the previous studies, the validation of numerical codes has been conducted based on the qualitative comparison of predicted ice shapes with experiments, which poses a significant limit on the systematic analysis of ice shapes due to the variation of meteorological conditions. In response to this,...
In the previous studies, the validation of numerical codes has been conducted based on the qualitative comparison of predicted ice shapes with experiments, which poses a significant limit on the systematic analysis of ice shapes due to the variation of meteorological conditions. In response to this, the numerical code has been quantitatively validated against available experiment for the ice accretion on cylinders and airfoils in the present study. Ice shapes accumulated on the bodies are systematically investigated with respect to various icing parameters. To this end, maximum thickness, heading direction and ice thickness are quantified and expressed in the polar coordinate system for the comparison with other numerical results. By applying the quantitative analysis, similar shapes are intuitively distinguished. The developed numerical code underestimates the ice accretion area and the ice thickness of lower surface. In order to improve the accuracy, further accurate aerodynamic solver is required for the water droplet trajectories.
In the previous studies, the validation of numerical codes has been conducted based on the qualitative comparison of predicted ice shapes with experiments, which poses a significant limit on the systematic analysis of ice shapes due to the variation of meteorological conditions. In response to this, the numerical code has been quantitatively validated against available experiment for the ice accretion on cylinders and airfoils in the present study. Ice shapes accumulated on the bodies are systematically investigated with respect to various icing parameters. To this end, maximum thickness, heading direction and ice thickness are quantified and expressed in the polar coordinate system for the comparison with other numerical results. By applying the quantitative analysis, similar shapes are intuitively distinguished. The developed numerical code underestimates the ice accretion area and the ice thickness of lower surface. In order to improve the accuracy, further accurate aerodynamic solver is required for the water droplet trajectories.
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문제 정의
현재 개발된 코드를 통해 획득한 결빙 형상과 실험에 의해 획득된 결빙 형상의 결빙 면적, 최대 두께, 진행 방향에 대한 오차는 유사한 방법을 적용한 타 수치해석 코드의 오차 범위 이내로 나타났다. 따라서 현재 개발된 코드를 이용하여 착빙 조건 변화에 따른 결빙 형상 변화를 분석하기 위한 적합성을 확인 하였다.
), 표면의 위치(±S)에서 측정한 얼음의 두께(t)를 기준으로 날개에 축적된 얼음 형상의 정량적 분석을 실시하였다. 또한 얼음 형상의 특징을 정량화하고 기존 해석 코드의 결과와 비교함으로써 코드 간의 해석정확도를 체계적으로 비교하고 각 해석 코드간의 한계를 명확히 하고자 하였다.
본 논문에서는 얼음 뿔과 전체 형상을 정량화할 수 있는 요소를 추가하고 각 요소를 산출하는 기준을 선정하여 결빙형상을 정량화하는 방법을 모색하였다. 얼음의 면적(σarea), 최대두께(δmax), 얼음 뿔의 진행 방향(Θhorn), 표면의 위치(± S)에서 측정한 얼음의 두께(t)를 결빙 형상의 특징으로 선정하고 다음과 같이 산출하였다.
이에 본 연구에서는 개발된 결빙 형상 예측 코드의 정확성을 검증하기 위하여 얼음 형상의 특징이 되는 요소인 얼음 뿔의 진행방향(Θhorn), 얼음 뿔의 최대 두께(δmax), 얼음의 면적(σarea), 표면의 위치(±S)에서 측정한 얼음의 두께(t)를 기준으로 날개에 축적된 얼음 형상의 정량적 분석을 실시하였다.
가설 설정
4) 얼음 성장 모델 : 새로운 표면 격자는 앞서 계산된 얼음의 양만큼 격자를 전진시켜 얻을 수 있다. 얼음 성장 모델을 통해 얻어진 새 표면 격자는 다시1)~4)의 과정을 반복하여 주어진 착빙 시간동안 얼음의 형상을 예측한다.
제안 방법
4) 본 연구에서 개발한 수치해석 코드는 결빙 면적을 적게 산출하였다. 이는 유입되는 수증기량을 적게 예측한 결과이다.
각각의 조건에서 결빙한 형상은 앞서 언급한 기준(Θhorn, δmax, σarea, t)을 적용하여 얼음 형상의 정량적인 분석을 수행하였다.
개발된 코드를 이용하여 실린더와 NACA0012에 결빙하는 결빙형상을 검증하였다. 결빙 형상의 검증은 서리얼음과 유리얼음의 형상이 나타나는 조건으로 선정하였고 획득한 결빙형상을 정량적으로 분석하기 위한 기준을 설정하여 정량적 분석을 수행하였다.
개발된 코드를 이용하여 실린더와 NACA0012에 결빙하는 결빙형상을 검증하였다. 결빙 형상의 검증은 서리얼음과 유리얼음의 형상이 나타나는 조건으로 선정하였고 획득한 결빙형상을 정량적으로 분석하기 위한 기준을 설정하여 정량적 분석을 수행하였다. 수행한 기준은 얼음 뿔의 길이, 얼음 뿔의 진행 방향, 얼음 면적, 얼음 두께이며 가용한 실험 결과 및 NASA, ONERA, DRA 등의 타 수치해석 결과와 비교, 검증하였다.
)는 기준점에서 가장 멀리 떨어진 위치 얼음면의 위치를 결정하고 얼음면에서 얼음이 결빙하지 않은 익형까지의 거리를 최대두께로 설정하였다. 또한 최대 길이를 갖는 점에서의 각도를 얼음 뿔의 진행방향으로 정하였다.
본 논문에서 정량적 분석을 위하여 적용한 기준은 전체 결빙 형상 및 얼음 뿔의 특징을 나타낼 수 있다. 그러나 보다 구체적인 형상의 특징을 파악하기 위하여 추가적인 분석 기준이 필요하다.
2와 같이 획득한 결빙형상을 정량적으로 분석하기 위한 연구가 수행되었다[14]. 얼음의 길이, 폭, 얼음의 각도 등을 기준으로 수치해석에 의해 획득한 형상을 정량적으로 분석하였다. 그러나 정량적으로 분석을 수행하기 위해 선정한 기준은 결빙이 발생한 전 구간에서 결빙형상을 분석할 수 없는 한계를 나타내었다.
얼음의 면적(σarea), 최대두께(δmax), 얼음 뿔의 진행 방향(Θhorn), 표면의 위치(± S)에서 측정한 얼음의 두께(t)를 결빙 형상의 특징으로 선정하고 다음과 같이 산출하였다.
본 연구에서는 패널 기법과 경계층 이론을 적용하여 유동장을 계산하고 부착되는 수증기 입자의 궤적을 Lagrangian 기법으로 획득한다. 열역학 모델을 통해 결빙되는 얼음의 두께를 결정하고 결빙한 얼음만큼 표면 격자를 전진시켜 결빙 형상을 예측한다. 착빙 환경에 노출된 시간동안 Fig.
향후 국내의 결빙관련 장치의 개발과 적용, 개발된 항공기의 안전성 입증 등의 필요성을 고려할 때, 항공기 결빙형상 예측 연구가 불가피 하다고 할 수 있다. 이에, 본 연구는 LEWICE, TRAJICE 등에서 표준적으로 사용하고 있는 2D 패널 기법과 Messinger 열역학모델[11]을 적용하여 2차원 물체 주위의 착빙 형상을 예측할 수 있는 수치 해석코드를 개발하였다[12-13].
항력은 앞서 수행한 속도 벡터부터 계산된다. 입자 궤적 계산으로 날개위에 입자가 충돌 되는 지점을 결정하고 부착률(Collection Efficiency) 및 대기로부터 표면에 유입되는 수증기의 양을 결정한다.
최대 두께(δmax)는 기준점에서 가장 멀리 떨어진 위치 얼음면의 위치를 결정하고 얼음면에서 얼음이 결빙하지 않은 익형까지의 거리를 최대두께로 설정하였다.
해석 코드의 검증은 다음 네 가지 착빙 조건에 대하여 실시하였다. 형상은 실린더와 NACA0012 에어포일로 정하고 각각 유리얼음과 서리얼음이 발생하는 조건으로 설정하였다. 계산된 얼음 형상은 NASA, ONERA, DRA등의 연구결과와 상호 검증하였고 각각의 조건은 Table 1에 보인 바와 같다.
대상 데이터
반면, 앞전 반경의 중심은 기준이 명확하고 진행 방향 및 최대두께의 측정이 용이한 장점이 존재하나 익형에 따라 위치에 차이가 발생하기 때문에 표준적인 측정점이 되기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 일반적인 익형의 공력중심인 시위길이의 25%를 극좌표의 중심으로 선정하였다. 주어진 위치에서는 앞전 또는 뒷전을 선택하였을 때, 발생하는 문제를 극복할 수 있으며 익형의 변화에 따른 결빙 형상의 분석이 가능하다.
LEWICE의 경우 앞전에서 2˚ 상향으로 얼음 뿔을 생성하고 있다. 본 연구는 실험에 비해 전면이 좁은 면적의 얼음 형상을 갖는다. Fig.
데이터처리
결빙 형상의 검증은 서리얼음과 유리얼음의 형상이 나타나는 조건으로 선정하였고 획득한 결빙형상을 정량적으로 분석하기 위한 기준을 설정하여 정량적 분석을 수행하였다. 수행한 기준은 얼음 뿔의 길이, 얼음 뿔의 진행 방향, 얼음 면적, 얼음 두께이며 가용한 실험 결과 및 NASA, ONERA, DRA 등의 타 수치해석 결과와 비교, 검증하였다. 결빙 형상에 대한 검증과 정량적 분석을 통하여 다음과 같은 결과를 확인하였다.
이론/모형
2) 입자 충돌 위치 결정 : 수증기 입자의 궤적 계산은 Lagrangian 기법을 적용한다. 이때 수증기에 작용하는 힘은 항력과 중력으로 고려한다.
본 연구에서는 패널 기법과 경계층 이론을 적용하여 유동장을 계산하고 부착되는 수증기 입자의 궤적을 Lagrangian 기법으로 획득한다. 열역학 모델을 통해 결빙되는 얼음의 두께를 결정하고 결빙한 얼음만큼 표면 격자를 전진시켜 결빙 형상을 예측한다.
얼음의 면적은 식(1)과 같이 닫힌 폐곡선과 면적과의 관계를 이용한 Green 정리를 적용하여 계산하였다.
성능/효과
1) 기존에 수행된 결빙 형상의 정성적 분석으로는 비교가 어려웠던 결빙면적, 얼음의 진행방향, 최대 두께를 본 연구에서 수행한 정량적 분석을 통하여 결빙 형상의 직관적인 비교가 가능하였다.
2) Case3과 같이 육안으로 명확하게 구분하기 어려운 결빙 형상을 정량적 분석을 통하여 그 차이를 명확하게 구분할 수 있었다. 특히 얼음의 진행 방향 및 최대 두께의 차이는 익형의 성능 계수에 영향을 미치기 때문에 결빙 형상의 차이에 따른 익형의 성능을 파악하기 위해서는 결빙 형상의 정량적 분석이 필요하다.
3) 현재 적용한 정량적 분석의 기준은 선행 연구에 비하여 얼음 뿔의 특징뿐만 아니라 전체 결빙 형상의 특징을 분석할 수 있다. 그러나 보다 구체적인 형상의 특징을 파악하기 위한 추가적인 정량적 분석 기준이 필요하다.
수치해석을 이용한 결과는 ONERA를 제외하고 앞전에서부터 수증기 입자가 충돌하지 않는 위치인 충돌한계(Impinging limit)까지 결빙양이 적은 것을 확인 할 수 있다. 그 결과 전체 결빙양은 적게 나타나며 본 연구의 결과는 40%가 적게 결빙되었다. Fig.
7에서 나타난 것과 같이 실험과 유사한 형상을 가지며 윗면의 경우 1˚ 이내, 아랫면의 경우 10˚ 이내의 오차를 갖는다. 본 연구결과의 얼음 뿔은 윗면에서 22%, 아랫면에서 30% 적게 결빙되었다.
14와 같이 ONERA, CIRA등의 결과는 최대두께가 윗면과 아랫면에서 각각 ±60˚에서 발생한다. 본 연구의 결과는 실험치와 윗면에서 약 10˚, 아랫면에서 약 18˚의 차이를 가지며 실험치에 비해 윗면에서 22%, 아랫면에서 33%의 길이에 대한 오차를 갖는다. 각각의 결과를 Table 3에 정리하였다.
11은 얼음이 쌓인 면적을 나타낸 그림이다. 수치해석을 이용한 결과는 ONERA를 제외하고 앞전에서부터 수증기 입자가 충돌하지 않는 위치인 충돌한계(Impinging limit)까지 결빙양이 적은 것을 확인 할 수 있다. 그 결과 전체 결빙양은 적게 나타나며 본 연구의 결과는 40%가 적게 결빙되었다.
17은 Table 1의 Case3[16] 조건에서 6분간 노출된 결빙형상을 나타내며 NASA의 LEWICE[7]결과와 검증하였다. 실험은 앞전에서 자유류 속도에 의한 가열현상으로 Runback이 발생하고, 발생한 Runback이 윗면과 아랫면으로 흘러 수치해석 결과에 비해 앞전이 뭉툭하고 전면의 면적이 증가한 형상을 가진다. 그러나 수치해석에 의한 결과는 서리얼음 형상을 가지며 이는 열역학 모델에 의한 결과이다.
전 검증 영역에서 ONERA의 결과를 제외한 나머지 수치해석에 의해 획득한 면적은 실험에 의해 획득한 면적에 비해 적게 예측되었다. ONERA의 결과는 결빙이 증식하여 입자와 충돌하는 전면 면적이 증가하고 증가한 전면 면적에 의해 오차가 누적된 결과로 판단된다.
정량적 분석의 결과 결빙 형상이 유사함에도 결빙면적, 최대두께, 얼음의 진행방향, 얼음의 분포에 차이가 있음을 확인할 수 있다. Fig.
현재 개발된 코드를 통해 획득한 결빙 형상과 실험에 의해 획득된 결빙 형상의 결빙 면적, 최대 두께, 진행 방향에 대한 오차는 유사한 방법을 적용한 타 수치해석 코드의 오차 범위 이내로 나타났다. 따라서 현재 개발된 코드를 이용하여 착빙 조건 변화에 따른 결빙 형상 변화를 분석하기 위한 적합성을 확인 하였다.
후속연구
그 결과 전체 결빙양은 적게 나타나며 본 연구의 결과는 40%가 적게 결빙되었다. Fig. 10과 같이 결빙되는 구간이 적게 나타나고 얼음 뿔의 성장 또한 적어서 전체 면적이 작게 나타나는 것이고 이는 앞에서 언급한 Aerodynamic solver와 Thermodynamic 모델을 보다 정밀한 모델을 적용하면 개선될 것으로 판단된다. 고정밀도 해석이 요구되는 경우 현 코드를 모듈로 구성하여 현 패널기법에서 CFD로 변경이 가능하도록 하였다.
3) 현재 적용한 정량적 분석의 기준은 선행 연구에 비하여 얼음 뿔의 특징뿐만 아니라 전체 결빙 형상의 특징을 분석할 수 있다. 그러나 보다 구체적인 형상의 특징을 파악하기 위한 추가적인 정량적 분석 기준이 필요하다.
16과 같이 얼음면적이 적은 것을 확인할 수 있다. 본 연구 및 NASA, DRA, ONERA, CIRA에서 사용한 유동장 계산 방법은 점성에 의한 효과를 고려 할 수 없는 포텐셜 또는 패널 기법을 적용하고, 열역학 모델로 Messinger 모델을 사용하고 있기 때문에 박리가 발생하는 실린더 형상에 쌓이는 얼음 면적을 정확하게 예측하는데 한계를 가지고 있는 것으로 보인다.
향후 국내의 결빙관련 장치의 개발과 적용, 개발된 항공기의 안전성 입증 등의 필요성을 고려할 때, 항공기 결빙형상 예측 연구가 불가피 하다고 할 수 있다. 이에, 본 연구는 LEWICE, TRAJICE 등에서 표준적으로 사용하고 있는 2D 패널 기법과 Messinger 열역학모델[11]을 적용하여 2차원 물체 주위의 착빙 형상을 예측할 수 있는 수치 해석코드를 개발하였다[12-13].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결빙 형상 자체를 정량화하여 비교 검토하는 연구의 필요성에 의해 어떠한 연구가 수행되었는가?
결빙 형상 자체를 정량화하여 비교 검토하는 연구의 필요성에 의해 얼음 뿔의 길이, 폭, 방향을 요소로 정량화 하는 연구가 수행되었다[14]. 그러나 이와 같은 연구는 얼음 뿔 형상에 대한 분석에 초점을 맞추어 날개위에 결빙한 얼음의 전체 형상에 대한 정량적 분석을 위한 요소가 결여 되었다.
수치해석에 의해 산출된 얼음 면적이 적게 계산된 결과는 다양한 원인에 의해 발생하는데 그 중에서 가장 큰 영향을 미치는 요인은 무엇인가?
4) 본 연구에서 개발한 수치해석 코드는 결빙 면적을 적게 산출하였다. 이는 유입되는 수증기량을 적게 예측한 결과이다. 표면에 유입되는 수증기량은 입자의 궤적과 관계가 있고, 입자의 궤적은 날개 주위의 속도 벡터에 의해 결정되므로 결빙 면적에 대한 오차를 개선하기 위하여 보다 정밀한 유동장 계산을 통한 입자의 궤적이 요구된다.
착빙 관련사고의 40%는 무엇이 사고의 원인이었는가?
Aircraft Owners and Pilots Association의 조사에 따르면, 1990년에서 2000년 사이 미국의 항공기 사고는 총 3230건이 발생 하였고, 이중 12%인 388건의 사고가 항공기 착빙(Aircraft Icing) 관련 사고로 조사되었다. 착빙 관련사고의 40%는 날개와 같은 항공기 외부 구조물에 발생한 항공기 착빙 현상이 사고의 원인으로 조사되었다[1].
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