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문제 정의
- 본 연구에서는 동익만 존재할때와 덕티드팬의 경우에 대해서 정지/전진 비행시 추력 특성을 측정하여 동익만의 추력 특성과 덕티드팬의 정익과 덕트의 영향을 평가하고, 45° 경사 열선으로 비정상 3차원 유동장을 측정 및 분석하여 안정적인 비행 특성을 확인하고자 한다.
제안 방법
- 45° 경사 열선의 요각 보정 실험은 실제 유동 속도, 유동각 및 프로브 각 등의 상호 관계를 구하기 위하여 36m/s의 유속에서 프로브 요각의 범위를 -90°∼+90°로 5°간격으로 변화시키며 수행되었다.
- Martin 등[4]은 10인치의 수직이착륙 덕티드팬 무인항공기의 로터에 대해서 풍동실험을 통한 성능 측정을 수행하였으며, 열선을 이용하여 덕티드팬 출구의 덕트 내부와 외부를 측정하였다. 낮은 로터 회전수에서 점성 손실과 팁간극의 영향을 확인 하였으며, 로터, 팁 와류 그리고 덕트 경계층의 영향을 유동 가시화 하였다. Fleming 등[5]은 측풍이 있는 경우에 대해 기존 모델과 보조 조종장치를 설치한 모델을 정지/전지 비행시의 풍동실험을 수행하였다.
- 덕티드팬의 비정상 3차원 유동장 측정은 로터의 전, 후방, 덕티드팬의 입구, 동익과 정익 사이 그리고 출구의 유동단면에서 수행되었다. 덕티드팬의 난동성분을 포함하는 비정상 3차원 유동장은 5개 유동단면의 측정 위치에서 45° 경사 열선의 요각을 120° 간격으로 3번 회전시키는 Whitfield 등[10]의 방법을 사용하여 측정되었다.
- 덕티드팬의 전진 비행 추력 특성을 측정하기 위해 동익의 회전수를 7,000rpm으로 고정시키고, 덕티드팬의 비행 속도인 자유 흐름 속도를 V∞=0~15m/s로 3m/s의 간격으로 변화시키며 추력과 동력을 측정하였다.
- 0%이내 이다. 덕티드팬의 정지 및 전진 추력 특성은 소형 아음속 풍동의 밸런스 시스템을 이용하여 측정되었다. 소형 아음속 풍동의 밸런스시스템은 CAS社의 6분력 내장형 저울로 5kg의 측정용량과 0.
- 동익의 전·후방, 덕티드팬의 전방, 동익과 정익사이, 덕티드팬 후방의 유동단면에서 경사 열선을 이용하여 비정상 3차원 유동장을 측정하였다.
- 본 논문에서는 소형 무인기 추진용 덕티드팬의 공력특성 및 비정상 3차원 유동장을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 비정상 3차원 유동장을 측정을 수행하기 위해 45° 경사 열선의 보정 실험이 수행되었다.
- 소형 무인항공기 추진용 덕티드팬의 설계 결과를 검증하고 추력 특성을 확인하기 위해 정지 및 전진 추력 특성을 측정하였다.
대상 데이터
- 7 (b)는 덕티드팬의 전방, 동익과 정익 사이, 덕티드팬의 후방으로 각각 유동단면에 대해 반경방향으로 17개의 측정점이 존재한다. 덕티드팬의 동익은 3개의 블레이드로 구성되어 있고, 1개 유로(passage)에서 100개의 데이터가 원주방향으로 획득되어 10개 유로에 대해 분석되었다. 정익은 5개의 블레이드로 구성되어 있고, 1개 유로에서 60개의 데이터가 획득되어 16.
- 소형 무인항공기 추진용 덕티드팬의 정지 및 전진 비행시의 추력 특성은 한양대학교 소형 아음속 풍동의 밸런스 시스템에서 측정되었다.
- 덕티드팬의 동익은 3개의 블레이드로 구성되어 있고, 1개 유로(passage)에서 100개의 데이터가 원주방향으로 획득되어 10개 유로에 대해 분석되었다. 정익은 5개의 블레이드로 구성되어 있고, 1개 유로에서 60개의 데이터가 획득되어 16.67 유로에 대해 분석되었다.
이론/모형
- 덕티드팬의 난동성분을 포함하는 비정상 3차원 유동장은 5개 유동단면의 측정 위치에서 45° 경사 열선의 요각을 120° 간격으로 3번 회전시키는 Whitfield 등[10]의 방법을 사용하여 측정되었다.
- 비정상 3차원 유동장을 측정을 수행하기 위해 45° 경사 열선의 보정 실험이 수행되었다. 보정 실험은 Grande와 Kool [8]의 방법을 이용하였다.
- 열선풍속계에서 출력된 아날로그 전압값은 저역통과 필터(low pass filter)에서 잡음(noise)이 제거된 후 A/D(Analog to Digital)변환기를 통해 디지털 신호로 변환되어 저장된다. 출력 전압값은 덕트 케이싱에 장착된 근접센서에 의해 동기화되어 1,000개의 전압 데이터를 1,000세트를 측정하였고, 출력 전압 값의 난동 성분은 위상평균(phase-locked averaging)기법[11]을 사용하여 제거되었다. 덕티드 팬의 입구에서는 100 세트에서 수렴하였고, 로터 후방의 팁 부근에서는 1,000세트 이하에서 수렴하였다.
성능/효과
- 동익으로만 구성된 경우인 Fig. 10 (a)와 비교하였을 때 팁 부근에서 축방향 속도 성분이 감소하지 않는데 이는 덕티드팬 케이싱의 영향으로 블레이드 전방의 팁 부근에서 속도가 감소하는 현상을 방지하여 유동손실을 저감하는 효과를 얻을 수 있었다. 동익과 정익사이인 Section 2의 팁 부근인 r/rtip=0.
- Fig. 12 (b)는 동익 후방에서의 영역에서의 축방향 속도분포이며, 허브에서의 유동 박리와 동익 블레이드 팁 부근에서 팁 누설 유동에 의해 동익의 허브와 팁 부분에서 축방향 속도 성분이 크게 감소되었다.
- Fig. 14 (c)는 덕티드팬 후방에서 측정된 결과로 축 방향 속도 성분이 정익을 지나면서 다소 감소하며 정익 블레이드의 앞전을 지나 유속이 감소됨을 확인하였다.Figure 15는 덕티드팬의 각 Section에서 무차원된 원주방향 속도 분포를 나타낸 것이다.
- Fig. 15 (c)는 덕티드팬의 출구영역으로 정익의 영향으로 인해 동익에 의해 발생된 선회속도 성분이 대부분 제거됨을 확인하였다. 정익 블레이드 팁 부근에서 밀집된 형태의 등고선이 존재하는데, 이것은 동익 블레이드의 팁 부분에서 발생된 팁 와류의 영향 때문이다.
- 1) 덕티드팬의 추력 특성은 설계 요구 조건에 만족하였고, 덕티드팬의 동익에 의해 발생된 선회속도 성분은 정익뒤에서 대부분 제거되어 안정적인 비행이 가능함을 확인 하였으며, 덕트와 정익의 영향으로 동익만 존재할 때 보다 약 3.55%의 추진 효율이 증가되었다.
- 2) 동익 블레이드 허브 근방에서 유동 박리로 인해 축방향 속도 성분이 감소하였다. 동익 블레이드 팁 부근에서는 와류의 발생으로 속도 성분이 감소함을 확인하였다.
- Akturk 등[6]은 수직/단거리 이착륙 덕티드팬 무인항공기에 대해 정지 상태와 외풍이 존재 할때의 전진 비행 상태에서의 전산유체(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석과 입자화상속도계측(Particle Image Velocimetry, PIV)을 이용한 유동장 계측을 통해 외풍 조건에서의 전진 비행시 덕티드팬 입구에서의 덕트 전단에서 유동 박리에 의한 영향으로 덕티드팬 출구 유동장에 미치는 영향을 분석하였다. 덕트 전단 형상에 의한 유동 박리로 인한 입구 유동장의 변형으로 추력이 감소함을 확인하였다.
- Figure 8은 덕티드팬의 정지비행 추력 특성을 확인하기 위해서 동익의 추력 특성과 덕티드팬의 추력특성을 비교하여 나타낸 것이다. 덕트와 정익의 영향으로 인해 덕티드팬의 정지추력은 동익의 정지 추력에 비해 약 6% 정도 증가하였고, 소요동력은 약 8% 정도 감소하는 성능 특성을 나타내었다.
- 11%를 나타내었다. 덕티드팬은 전익의 경우에 비해 덕티드팬의 전진비행시의 추진 효율은 약 3.55% 증가하였다. 이것은 덕트와 정익의 영향으로 추력이 약 7.
- 덕티드팬 출구 영역인 Secion 3에서 원주방향 속도 성분이 균일하게 나타냈다. 동익에 덕트를 설치하였을때, 동익으로 구성되어 있는 경우에 비해 비교적 안정적인 속도 성분을 확인하였으며, 선회 속도성분은 정익에 의해 회수되었음을 확인하였다.
- 동익 전방의 블레이드 팁 부근에서의 축방향 속도의 감소는 입사각의 증가를 유발하게 되므로 유동손실을 증가시키는 원인으로 작용하게 된다. 동익의 후방에서 축방향 속도성분은 평균반경에서 가장 크게 증가하였으며, 팁 와류의 영향으로 r/rtip=0.8부근에서 블레이드 팁까지 축방향 속도 성분이 크게 감소한다. Fig.
- Fleming 등[5]은 측풍이 있는 경우에 대해 기존 모델과 보조 조종장치를 설치한 모델을 정지/전지 비행시의 풍동실험을 수행하였다. 보조 조종장치의 사용으로 피칭 모멘트가 50% 향상되어 덕티드팬 무인항공기의 기동성 향상을 확인하였다. Akturk 등[6]은 수직/단거리 이착륙 덕티드팬 무인항공기에 대해 정지 상태와 외풍이 존재 할때의 전진 비행 상태에서의 전산유체(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석과 입자화상속도계측(Particle Image Velocimetry, PIV)을 이용한 유동장 계측을 통해 외풍 조건에서의 전진 비행시 덕티드팬 입구에서의 덕트 전단에서 유동 박리에 의한 영향으로 덕티드팬 출구 유동장에 미치는 영향을 분석하였다.
- 13 (b)는 동익 후방에서의 원주방향 속도분포이다. 허브에서 평균반경까지 선회속도 성분이 증가하였고, 동익 블레이드 팁 부근에서 팁 와류의 영향으로 인해 원주방향 속도 성분은 감소하였다.
후속연구
- 3) 향후 고성능 소형 무인기 추진용 덕티드팬을 설계하기 위해서는 덕트 단면 설계가 필수적이며 허브 경계층의 영향을 줄이기 위해 모터의 직경을 줄이는 기술이 요구된다. 또한 팁 부근의 와류를 줄이기 위해 팁 간극 조절에 대한 연구를 수행한다면 고성능과 고효율의 덕티드팬의 설계가 가능할 것으로 기대된다.
- 3) 향후 고성능 소형 무인기 추진용 덕티드팬을 설계하기 위해서는 덕트 단면 설계가 필수적이며 허브 경계층의 영향을 줄이기 위해 모터의 직경을 줄이는 기술이 요구된다. 또한 팁 부근의 와류를 줄이기 위해 팁 간극 조절에 대한 연구를 수행한다면 고성능과 고효율의 덕티드팬의 설계가 가능할 것으로 기대된다.
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