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Part1 : 익형 주위 결빙 예측 코드 검증 및 정량적 분석
Part1 : Numerical Code Validation and Quantitative Analyses of Ice Accretion around Airfoils 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.38 no.11, 2010년, pp.1094 - 1104  

손찬규 (부산대학교 항공우주공학과 대학원) ,  오세종 (부산대학교 항공우주공학과) ,  이관중 (부산대학교 항공우주공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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,...

주제어

AI 본문요약
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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 다시 1)~4)의 과정을 반복하여 주어진 착빙 시간동안 얼음의 형상을 예측한다.
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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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참고문헌 (16)

  1. AOPA Air Safety Foundation "Aircraft icing", AOPA Air Safety Foundation, 2002. 

  2. Gent, R. W., Dart, N. P., Cansdale, J. T. "Aircraft Icing," Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol. 358, No. 1778, pp. 2873-2911. 

  3. Bragg, B. M., Broeren, P. A., Addy, A. H., Potapczuk, M. G., Guffond, D., Montreuil, E., "Airfoil Ice-Accretion Aerodynamics Simulation", NASA/TM-2008-214830, January, 2008. 

  4. Sogin, H. H., "A Design Manual For Thermal Anti-Icing Systems", Wright Air Development Center, 616,AF33616444, December, 1954. 

  5. Robert, J. W., Randall, K. B., Thomas, H. B., "Role of Wind Tunnels and Computer Codes in the Certification and Qualification of Rotorcraft for Flight in Forecast Icing", NASA/TM-106747, October, 1994. 

  6. Wright, B. W., Gent, R. W., and Guffond, D., "DRA/NASA/ONERA Collaboration on Icing Research PartII - Prediction of Airfoil Ice Accretion", NASA/CR-202349, May, 1997. 

  7. Ruff, G. A., Berkowitz, B. M., "Users Manual for the NASA Lewis Ice Accretion Prediction Code(LEWICE)", NASA/CR-185129, May, 1990. 

  8. Hartman, P., Narducci, R., Peterson, A., Dadone, L., Mingione, G., Zanazzi, G., Brandi, V., "Prediction of Ice Accumulation and Airfoil Performance Degradation : A Boeing - CIRA Research Collaboration", AHS, 62nd Annual Forum, Arizona, May, 2006. 

  9. Beaugendre, H., Morency, F., Habashi, W. G., "FENSAP-ICE's Three-Dimensional In-Flight Ice Accretion Module : ICE3D", Journal of Aircraft, Vol. 40, No. 2, March, 2003, pp. 239-247. 

  10. Paraschivoiu, I., Gouttebroze, S., Saeed, F., "Ice Accretion Simulation Code CANICE", Preceedings of the International Areospace Symposium "carafoli 2001", Bucharest, Romania, 1997, pp. 81-86. 

  11. Messinger, B. L., "Equilibrium Temperature of an Unheated Icing Surface as Function of Airspeed", Journal of the Aeronautical Sciences, Vol. 20, No. 1, 1953, pp. 29-42. 

  12. 손찬규, 오세종, 이관중, “2차원 에어포일의 유리얼음 형상 예측 코드 개발”, 한국항공우주학회지, 제38권, 제8호, 2010, pp. 747-757. 

  13. 백선우, 이관중, 오세종, “2차원 날개의 서리얼음 형상 예측”, 한국전산유체공학회지, 제14권, 제1호, 2009, pp. 45-52. 

  14. Weight W. B., Potapczuk M. G., "Comparisions of LEWICE 1.6 and LEWICE/NS with IRT Experimental Data from Modern Airfoil Tests", AIAA, 35th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Reno, NV, January, 1997. 

  15. Paraschivoiu, I., Gouttebroze, S., Saeed, F., "CANICE-Capabilities and Current Status", NATO/RTO Workshop, Assessment Icing Code Prediction Capabilities, at CIRA in Capua, Italy, December. 2000. 

  16. Wright, W. B., Rutkowski, A., "Validation Results for LEWICE 2.0", NASA/CR-1999-208690, 1999. 

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