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가설 설정
- Figure 5는 수치해석결과를 도시화한 것으로, 날개 주위 와류장의 난류에너지는 두께가 두꺼운 날개의 root 부분에서부터 발생하여 tip 방향으로 점차 확산되며 수치가 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 근간으로 난류형태의 유동장은 midspan 익형으로 구성된 날개 중심부, 공력 중심점인 1/4지점부터 발생하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- Cranked wing을 통한 수치해석 결과를 바탕으로 결정된 Boeing-737 midspan 익형을 사용하여 익현(chord) 길이 500 mm, 폭(span) 500 mm을 갖는 단일 형상의 날개를 설계하였다. 설계과정의 단순화를 고려하여 받음각(angle of attack, AOA) 및 후퇴익 형상 등의 수정을 포함한 익형 변경은 하지 않았으며, 종횡비(aspect ratio)는 1로 설정하였다.
- Pattern의 종류와 유속의 영향에 따라 양력, 항력변화를 확인하였다. 날개의 수직방향으로 발생하는 양력의 차이는 큰 변화가 없으나 평행한 방향으로 발생하는 유해성분인 항력 값은 줄어들어 근소하게 성능이 향상되는 것을 확인하였다.
- 각 case별 전방 입구조건(inlet)의 유속에 따라 변화하는 양항비, 압력 및 난류에너지를 도시화하였다.
- 경계조건으로는 민간 항공기의 장거리 순항속도가 약 700∼800 km/h인 것을 감안하여 입구조건으로 800 km/h의 풍속이 유입되도록 하였고, 유입되는 기류가 자유롭게 빠져나갈 수 있도록 출구조건으로 개구조건(opening)을 적용하였다.
- 날개 상부면에 적용한 딤플 형상에 따른 공력특성 변화를 비교하기 위하여 실제 항공기의 날개형상과 유사하게 cranked wing을 적용한 수치해석을 수행하였고, 수치해석결과를 바탕으로 선정한 익형을 이용하여 단일 형상으로 구성된 날개를 축소 설계하였다.
- 딤플 형상에 따라 날개 표면에서 발생하는 공력특성을 고찰하기 위하여 날개 표면 주위로 5겹의 layer를 배치하였으며, layer의 growth rate 수치는 1.3으로 설정하였다. 자동 격자 생성조건을 통하여 격자계를 구성하였고, case 별 격자 정보는 Table 2에 명시하였다.
- 딤플 형상에 따른 공력특성 변화를 수치적으로 해석하기 전에, 민간 항공기에 사용되는 익형을 선정하여 cranked wing을 Fig. 3과 같이 설계하였다(3). 설계에는 Boeing-737기의 날개를 구성하는 root, midspan, outboard용 익형을 사용하였으며, 각각의 익형에 관한 형상과 수치는 Fig.
- 민간 항공기의 경제적 장거리 순항속도 700∼800 km/h의 조건을 적용하기 위하여 날개 전방으로 입구조건(inlet)을 설정하였으며, 유입되는 기류의 속도를 100 km/h씩 단계적으로 증가시켰다.
- 본 연구에서는 종횡비 1의 단일익형 날개를 설계하였고, 날개 상단에 딤플 형상을 적용하여 형상의 유무와 다양한 유속조건에서 수치해석을 실시하여 공력특성을 비교하였다. 양항비, 표면압력 및 난류에너지의 결과를 비교하였으며, 각 case별 결과를 분석한 결과 딤플 형상의 적용에 따라 날개의 성능이 개선되는 것을 확인하였다.
- Figure 2에 도시한 바와 같이 골프공 표면에 적용된 딤플 형상은 공 주위로 흐르는 공기의 경계층 분리를 지연시키며, 항력을 감소시키는 역할을 한다(2). 본 연구에서는 항공기 익형의 양항비 증대를 위하여 날개 상단에 오목한 형상의 딤플 형상을 적용하였고, 패턴으로 인하여 변화하는 익형주위의 유동특성을 수치해석 기법을 사용하여 분석하였다. 수치해석은 ANSYS-CFX를 사용하여 수행하였으며, 다양한 변수에 따른 결과를 도시하였다.
- Cranked wing을 통한 수치해석 결과를 바탕으로 결정된 Boeing-737 midspan 익형을 사용하여 익현(chord) 길이 500 mm, 폭(span) 500 mm을 갖는 단일 형상의 날개를 설계하였다. 설계과정의 단순화를 고려하여 받음각(angle of attack, AOA) 및 후퇴익 형상 등의 수정을 포함한 익형 변경은 하지 않았으며, 종횡비(aspect ratio)는 1로 설정하였다.
- 유입되는 기류는 날개를 지나서 출구조건으로 설정된 개구조건(opening)에 의하여 자유롭게 빠져나갈 수 있도록 하였고, 날개 주위의 경계는 벽면조건(wall)중 자유 미끄럼 유동조건을 사용하였다. 수치해석은 딤플 형상에 따라 변화하는 공기역학적 특성을 확인하고자, 고도와 공기밀도 및 온도변화 등의 조건은 적용하지 않았으며, 단열상태의 조건으로 수행하였다.
대상 데이터
- 4와 Table 1에 제시하였다. 날개 주변의 난류 유동장을 가시화하기 위하여 총 5겹의 층(layer)을 형성하였으며 약 29000개의 격자를 구성하였다.
- 3과 같이 설계하였다(3). 설계에는 Boeing-737기의 날개를 구성하는 root, midspan, outboard용 익형을 사용하였으며, 각각의 익형에 관한 형상과 수치는 Fig. 4와 Table 1에 제시하였다. 날개 주변의 난류 유동장을 가시화하기 위하여 총 5겹의 층(layer)을 형성하였으며 약 29000개의 격자를 구성하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 항공기 익형의 양항비 증대를 위하여 날개 상단에 오목한 형상의 딤플 형상을 적용하였고, 패턴으로 인하여 변화하는 익형주위의 유동특성을 수치해석 기법을 사용하여 분석하였다. 수치해석은 ANSYS-CFX를 사용하여 수행하였으며, 다양한 변수에 따른 결과를 도시하였다. 해석결과는 항공분야에 적용하여 효율을 향상시키는 것 뿐 아니라, 익형을 사용하는 펌프, 터빈, 선박 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대한다.
이론/모형
- 수치해석은 3차원 압축성 정상상태 조건에 의하여 수행하였으며, 난류모델은 2방정식 기반의 k-ε과 k-ω를 개선한 SST(shear stress transport) 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 고속에서 발생하는 난류에너지는 pattern의 적용 유무에 따라 수치적으로 차이를 보였으며, 원형의 딤플 형상을 적용한 날개에서 가장 우수한 성능을 나타내었다. 향후 cranked wing의 형상으로 날개를 설계하여 종횡비를 증가시켜 실제 항공기 날개 형상에 적용하고, pattern에 의하여 변화하는 항력을 유도항력과 유해항력으로 구분하여 비교 분석하는 연구가 필요하다.
- Pattern의 종류와 유속의 영향에 따라 양력, 항력변화를 확인하였다. 날개의 수직방향으로 발생하는 양력의 차이는 큰 변화가 없으나 평행한 방향으로 발생하는 유해성분인 항력 값은 줄어들어 근소하게 성능이 향상되는 것을 확인하였다. 이는 항공기 날개의 성능평가 척도인 양항비에 큰 영향을 미치는 요소로 항력에 대한 양력의 비, 즉 양항비로 변환하였을 때 그 수치를 좌우하는 중요한 인자이다.
- 또한 딤플 형상을 적용한 날개의 성능은 양력의 요인이 되는 압축압력을 날개 폭 방향으로 고르게 분포시켜 압축압력을 증가시키는 것으로 확인되었다.
- Figure 10은 유속 변화에 따른 날개 표면에서의 난류에너지 변화를 나타낸 것으로, 고속일수록 급격하게 난류에너지가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 비교결과 pattern을 적용하지 않은 case A의 난류에너지는 pattern이 적용된 case B, C의 난류에너지보다 상대적으로 높은 것을 알 수 있다. Figure 11은 날개 표면에서 발생하는 난류에너지 분포를 각 case별로 도시화 한 것으로 pattern이 적용된 case B와 C의 wing 표면에서는 case A에 비교하여 상대적으로 작은 값의 난류에너지가 분포하는 것을 알 수 있으며, 원형의 딤플 형상이 적용된 case B의 경우 가장 낮은 수치의 난류에너지가 분포하는 것으로 나타났다.
- 수치해석 결과 pattern 적용에 따른 양력은 큰 변화가 없었으나, 낮은 수치의 항력 값에 의하여 항공기 날개의 성능 평가 척도인 양항비를 증가시키는 것으로 나타났다.
- 수치해석 결과 날개 표면적에 따른 압력변화를 확인하였으며, 유속변화에 따라 양력발생의 요인이 되는 압축압력이 형성되는 것을 확인하였다. 특히 원형의 딤플 형상을 적용한 case B에서 가장 높은 수치를 보였으며, 유속에 따른 case별 압력변화는 Table 3에 정리하였다.
- 본 연구에서는 종횡비 1의 단일익형 날개를 설계하였고, 날개 상단에 딤플 형상을 적용하여 형상의 유무와 다양한 유속조건에서 수치해석을 실시하여 공력특성을 비교하였다. 양항비, 표면압력 및 난류에너지의 결과를 비교하였으며, 각 case별 결과를 분석한 결과 딤플 형상의 적용에 따라 날개의 성능이 개선되는 것을 확인하였다.
후속연구
- 수치해석은 ANSYS-CFX를 사용하여 수행하였으며, 다양한 변수에 따른 결과를 도시하였다. 해석결과는 항공분야에 적용하여 효율을 향상시키는 것 뿐 아니라, 익형을 사용하는 펌프, 터빈, 선박 등 다양한 분야에 적용 가능할 것으로 기대한다.
- 고속에서 발생하는 난류에너지는 pattern의 적용 유무에 따라 수치적으로 차이를 보였으며, 원형의 딤플 형상을 적용한 날개에서 가장 우수한 성능을 나타내었다. 향후 cranked wing의 형상으로 날개를 설계하여 종횡비를 증가시켜 실제 항공기 날개 형상에 적용하고, pattern에 의하여 변화하는 항력을 유도항력과 유해항력으로 구분하여 비교 분석하는 연구가 필요하다.
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