[논문]대칭단면을 갖는 3 차원 날개의 지면고도에 따른 공력특성과 끝단와 거동

유영현; 이상환; 이주희

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.12.1161

대칭단면을 갖는 3 차원 날개의 지면고도에 따른 공력특성과 끝단와 거동
Aerodynamic Characteristics and Wing Tip Vortex Behavior of Three-Dimensional Symmetric Wing According to Heights 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.12 = no.327, 2012년, pp.1161 - 1169

유영현 (한양대학교 기계공학부) , 이상환 (한양대학교 기계공학부) , 이주희 (호서대학교 메카트로닉스공학과)

초록
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지면효과를 받는 3차원 대칭단면 날개(NACA0015)의 공력특성과 끝단와(wing-tip vortex)의 거동에 관하여 수치적 연구를 수행하였다. 날개가 지면에 근접함에 따라 공기 역학적 특성과 끝단와의 거동은 두 가지 상이한 현상(지면효과와 벤츄리효과)에 의하여 영향을 받는다. 지면효과는 양력을 증가시키며 항력을 감소시켜 공기역학적 특성을 향상시키는 반면 벤츄리효과는 음의 양력을 만들고 항력을 급격히 증가시킨다. 대칭형 익형은 받음각에 따라 이러한 현상이 모두 나타난다. NACA0015의 경우 받음각이 4도 보다 작은 경우 벤츄리효과가 지배적이며 받음각이 이 보다 큰 경우 지면효과가 지배적으로 나타난다. 특이하게 4도에서는 이 두 가지 현상이 모두 나타났다. 벤츄리효과가 지배적인 경우 지면과 날개 사이의 흡입현상의 증가로 인하여 끝단와는 날개의 안쪽으로 끌려 들어오는 반면 지면효과가 지배적인 경우 끝단와는 날개의 바깥쪽으로 밀려나가는 현상을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical study has been conducted to investigate the aerodynamic characteristics and behavior of a wing-tip vortex around a three-dimensional symmetric wing (NACA0015) in the vicinity of the ground. The aerodynamic characteristics and the wing-tip vortex change as a wing approaches the ground as a result of two different phenomena: the ground effect and the Venturi effect. The ground effect increases lift and decreases drag whereas the Venturi effect generates negative lift and increases drag suddenly. A symmetric airfoil experiences both phenomena with respect to changes in the angle of attack. In the case of a NACA0015 airfoil, the Venturi effect is dominant at small angles of attack but the ground effect is dominant at large angles of attack. Interestingly, both phenomena can be observed at the 4 degree of angle of attack. The vortex core moves inside a wing when the wing experiences the Venturi effect, whereas the vortex core moves outward when the wing experiences the ground effect.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 후류는 많은 에너지를 포함하고 있어 경우에 따라 수마일까지 영향⁽¹²⁾을 줄 수 있어 다른 비행체나 선박의 안정성에 영향을 미칠 수 있다. 본 연구에서는 지면가까이 위치한 3차원 대칭익형에 있어서 지면효과와 벤츄리효과에 관한 공력특성과 끝단와의 거동에 관한 연구를 수행하였다.

가설 설정

또한 τ_ij 응력텐서를 의미한다. 본 연구에서 3 차원 점성, 비압축성 정상유동으로 가정하였으며 유동해석은 상용소프트웨어인 STAR-CCM+ ⁽¹³⁾를 사용하였다. 난류모델은 k −ε 모델을 사용하였다.
입구속도는 23.5 m /s 로 입구에서 일정하게 불어오는 것으로 가정하였으며 이때 날개 코드길이를 기준으로 Re = 1.5×106 이다.
지면을 제외한 벽면은 미끄럼 경계(slip boundary)을 사용하였다. 입구에서는 일정한 속도로 바람이 불어 온다고 가정하여 균일한 속도분포를 주었으며 출구에서는 압력경계 (pressure boundary condition)를 주었다. 바닥은 비행 상태를 모사할 수 있도록 입구속도와 같이 주었다.

제안 방법

3에서 이론적인 값은 NACA0015의 익형에서 얻은 실험값⁽¹⁵⁾을 보정한 값이다. ⁽¹⁶⁾격자의존성을 검증하기 위하여 격자의 개수를 2배씩(100만, 220만, 400만) 증가 시키며 해의 수렴성을 확인하였다. 400만개 격자의 경우 계산 시간(1CPU기준)이 Optheron 2.
검증모델에서 220만개와 400만개의 격자의 해가 거의 일치하고 있으므로 계산은 220만개의 격자의 분포를 나타내는 격자 조건을 적용하였다. 그러나 끝단와의 거동을 정확하게 파악하기 위하여 날개 끝단의 후류영역( x /C ≤ 5 )에 추가적으로 조밀한 격자를 사용하였다.
먼저 지면효과가 없는 경우에 대하여 비교하고 날개 끝단와(wing tip vortex)의 거동을 비교할 수 있도록 McAlister 와 Takahashi (14)가사용한 풍동크기와 동일한 크기의 계산 영역을 사용하여 끝단와의 크기와 위치를 비교하였다. 그러나 실험의 벽면의 경계층 두께를 정확히 알 수 없으므로 본 계산에서는 풍동의 상하단 및 날개길이 방향 벽면은 미끄럼 경계(slip)을 사용하였다.
또 플랩의 중심에서 보다 플랩의 끝단에서 오히려 더 강한 음의 양력이 발생하였다. 날개가 지면에 더욱 가까워짐에 따라 와의 강도는 약해지며 날개의 끝단에서 와는 거의 없어지며 음의 양력의 기울기가 약간 감소하는 현상을 관찰하였다. 그러므로 지면효과를 갖는 날개에서도 끝단와는 양력 발생의 중요한 부분을 차지한다고 하였다.
대상으로 한 3차원 날개는 경주용자동차의 앞날개에 적용하기 위하여 날개의 양쪽 끝단에는 끝단판(end plates)이 장착되어 있다. 날개를 지면에 가까이 가져감에 따라 발생하는 음의 양력의 크기에 따라 2가지 영역으로 구분하고 각 영역에서 끝단와의 세기와 위치를 관찰하였다. 음의 양력이 고도에 따라 점진적으로 증가하는 영역에서는 끝단와의 강도가 점점 강해졌으며 날개의 후연근방에서도 와의 크기가 커질 뿐 아니라 강도 또한 강해지는 것을 관찰 하였다.
다면체 격자(polyhedral mesh)을 사용하였으며 날개 주위의 경계층 영역을 잘 모사하기위하여 날개주변에 8개의 층격자(layer mesh)를 사용했다. 또 층 격자 외에 날개 주변과 후류영역 그리고 날개 끝단영역에 격자를 집중시켰다. 지면으로부터 날개까지의 고도( h /C )는 지면에서 후연까지의 높이로 하였다.
이 연구에서 사용한 수치유동해석(CFD) 모델의 타당성을 검증하기 위하여 지면효과가 있는 경우와 지면효과가 없는 경우에 대하여 공기역학적 특성들을 비교하였다. 먼저 지면효과가 없는 경우에 대하여 비교하고 날개 끝단와(wing tip vortex)의 거동을 비교할 수 있도록 McAlister 와 Takahashi (14)가사용한 풍동크기와 동일한 크기의 계산 영역을 사용하여 끝단와의 크기와 위치를 비교하였다. 그러나 실험의 벽면의 경계층 두께를 정확히 알 수 없으므로 본 계산에서는 풍동의 상하단 및 날개길이 방향 벽면은 미끄럼 경계(slip)을 사용하였다.
지면효과를 받는 3차원 대칭형 익형(NACA0015) 을 가지는 사각날개(rectangular wing)의 공기역학적 특성과 끝단와의 거동을 수치해석적인 방법으로 고찰하였다. 본 연구의 대칭형 익형은 날개가 지면에 가까워짐에 따라 지면효과와 벤츄리효과에 의하여 상이한 공기역학적 특성과 끝단와의 거동을 나타내었다. 받음각이 작은 경우( α <4^o )에는 압력면의 형상과 지면과의 간격이 축소-확대의 형상를 가지게 되어 벤츄리효과가 지배적으로 나타났으며 이로 인하여 음의 양력이 발생하고 항력 (마찰항력과 압력항력)은 증가하며 끝단와는 압력 면의 흡입으로 인하여 −y 방향으로 움직여 날개의 뿌리로 이동하였다.
의 풍동실험값과 비교하였다. 수치해석의 격자를 효율적으로 사용 하기 위하여 후류의 일정한 영역에 원추형(cone)으로 조밀한 격자를 사용하였다. 이러한 영역은 격자의 개수를 급격하게 늘리게 됨으로 후연에서 2.
5). 실험은 2차원으로 바닥을 정지한 상태로 수행하였으며 본 연구에서도 스팬방향으로 계산영역을 줄여 실험(2차원 유동)과 같은 조건이 되도록 하였다. 지면효과가 있는 경우도 전체적인 공력특성은 잘 보여주고 있으나 지면과 극한으로 가까워지는 경우( h /C = 0.
이 연구에서 사용한 수치유동해석(CFD) 모델의 타당성을 검증하기 위하여 지면효과가 있는 경우와 지면효과가 없는 경우에 대하여 공기역학적 특성들을 비교하였다. 먼저 지면효과가 없는 경우에 대하여 비교하고 날개 끝단와(wing tip vortex)의 거동을 비교할 수 있도록 McAlister 와 Takahashi (14)가사용한 풍동크기와 동일한 크기의 계산 영역을 사용하여 끝단와의 크기와 위치를 비교하였다.
지면효과를 받는 3차원 대칭형 익형(NACA0015) 을 가지는 사각날개(rectangular wing)의 공기역학적 특성과 끝단와의 거동을 수치해석적인 방법으로 고찰하였다. 본 연구의 대칭형 익형은 날개가 지면에 가까워짐에 따라 지면효과와 벤츄리효과에 의하여 상이한 공기역학적 특성과 끝단와의 거동을 나타내었다.
후류 거동의 정확성을 확인하기 위하여 끝단와 위치를 McAlister와 Takahashi ⁽¹⁴⁾의 풍동실험값과 비교하였다. 수치해석의 격자를 효율적으로 사용 하기 위하여 후류의 일정한 영역에 원추형(cone)으로 조밀한 격자를 사용하였다.

대상 데이터

바닥은 비행 상태를 모사할 수 있도록 입구속도와 같이 주었다. 다면체 격자(polyhedral mesh)을 사용하였으며 날개 주위의 경계층 영역을 잘 모사하기위하여 날개주변에 8개의 층격자(layer mesh)를 사용했다. 또 층 격자 외에 날개 주변과 후류영역 그리고 날개 끝단영역에 격자를 집중시켰다.

데이터처리

지면이 있는 경우 끝단와의 거동을 Raznebach 와 Barlow의 결과(실험과 수치해석결과) ⁽¹⁷⁾와 비교하였다(Fig. 5). 실험은 2차원으로 바닥을 정지한 상태로 수행하였으며 본 연구에서도 스팬방향으로 계산영역을 줄여 실험(2차원 유동)과 같은 조건이 되도록 하였다.

이론/모형

난류모델은 k −ε 모델을 사용하였다.
지면효과는 구소련의 R. Alexeyev에 의하여 “Caspian Sea Monster”로 알려진 KM을 개발하면서 부터 비행체에 적용되었다.

성능/효과

Alexeyev에 의하여 “Caspian Sea Monster”로 알려진 KM을 개발하면서 부터 비행체에 적용되었다.⁽²⁾ 국내에서도 지면효과⁽³⁾ 뿐 아니라 최근 새로운 형태의 위그선을 개발하려는 움직임을 보이고 있다.^(4,5) 벤츄리효과는 일반적인 날개의 흡입면이 지면으로 향하는 뒤집힌 날개 (inversed wing)에 발생하는 음의 양력을 이용하는 경우로 고속으로 코너를 회전해야하는 경주용자동차의 바퀴 접지력을 높이는데 응용되고 있다.
연기추적(smoke trace)를 통하여 끝단와는 지면에 의하여 그 크기가 감소하였으며 날개 하류에서의 와의 꼬임(spiral shape)도 감소함을 보였다. 또한 끝 단판이 있는 경우 날개 끝에서 말려 올라가는 와가 억제 되었으며 끝단와도 감소함을 보였다.
날개를 지면에 가까이 가져감에 따라 발생하는 음의 양력의 크기에 따라 2가지 영역으로 구분하고 각 영역에서 끝단와의 세기와 위치를 관찰하였다. 음의 양력이 고도에 따라 점진적으로 증가하는 영역에서는 끝단와의 강도가 점점 강해졌으며 날개의 후연근방에서도 와의 크기가 커질 뿐 아니라 강도 또한 강해지는 것을 관찰 하였다. 이로 인하여 플랩(flap)에서 발생하는 음의 양력이 점점 증가하였다.

후속연구

이러한 항력의 급격한 증가는 Zhang와 Zerihan ⁽²⁰⁾의 실험적 연구에서는 유도항력에 의한 항력의 증가라고 하였으나, Razenbach와 Barlow ⁽¹⁷⁾의 유도항력이 존재하지 않는 2차원 연구에서도 비슷한 항력의 증가가 나타나고 있다. 그러므로 이러한 항력의 증가는 유도항력만에 의한 증가로 보기 어려우며 마찰항력, 유도항력, 압력변화에 의한 항력의 복합적인 현상으로 여겨지며 양력증가에 의한 항력의 증가(drag due to lift) ⁽¹⁶⁾로 생각되며 향후 이러한 현상에 대한 추가적인 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지면효과는 무엇을 향상시키는가?	날개가 지면에 근접함에 따라 공기 역학적 특성과 끝단와의 거동은 두 가지 상이한 현상(지면효과와 벤츄리효과)에 의하여 영향을 받는다. 지면효과는 양력을 증가시키며 항력을 감소시켜 공기역학적 특성을 향상시키는 반면 벤츄리효과는 음의 양력을 만들고 항력을 급격히 증가시킨다. 대칭형 익형은 받음각에 따라 이러한 현상이 모두 나타난다.
	지면효과는 무엇을 말하는 것인가?	지면효과(ground effect)는 비행체가 지면(혹은 수면) 가까이 비행( h /C < 0.5 ) 할 때 비행체에 작용 하는 공기역학적 힘들이 변하는 현상을 말한다. 비행체가 지면에 가까워짐에 따라 전연(leading edge)의 정체점이 아래로 이동하게 되며, 날개로 유입되는 공기는 날개와 지면사이에 정체 (stagnation)하게 되어 날개의 아랫면에 압력이 급격히 증가한다.
	지면효과는 어떤 현상이며, 어떤 효과를 가지는가?	5 ) 할 때 비행체에 작용 하는 공기역학적 힘들이 변하는 현상을 말한다. 비행체가 지면에 가까워짐에 따라 전연(leading edge)의 정체점이 아래로 이동하게 되며, 날개로 유입되는 공기는 날개와 지면사이에 정체 (stagnation)하게 되어 날개의 아랫면에 압력이 급격히 증가한다. 또한 지면으로 인해 내리흐름 (downwash)이 줄어들고 항력이 감소하게 되며 이로 인해 실질적인 날개길이(effective span)가 길어져 양항비가 향상되는 효과를 가진다. (1) 벤츄리효과(Venturi effect)는 날개가 지면에 가까워짐에 따라 날개의 아래면과 지면의 단면형상이 축소-확대의 병목을 가지고 있는 경우로 지면효과와는 반대로 음의 양력이 발생하고 병목을 지나는 유동의 급격한 속도의 증가에 의하여 항력 또한 증가하는 현상이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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