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문제 정의
- 그러므로 제한적인 결빙 풍동시험을 대체하거나 보완할 수 있는 좋은 방법이 된다. 본 연구에서는 전산 해석을 통하여 회전익기 엔진의 공기흡입구 주위 유동장과 결빙 증식을 계산하는 방식으로 방빙장치의 성능을 분석하였다. 과냉각된 액적으로 인한 결빙의 공기흡입구 유동 영향성을 분석하기 이전에 순수한 공기에 대한 유동장을 먼저 계산하였다.
가설 설정
- 유동장 조건은 회전익기가 최대속도로 순항하고 있을 때를 가정하였으며, 이때 엔진에서 흡입하는 유량을 모사하기 위해 Engine Inlet 부분에 Target Mass Flow Rate를 적용하였다.
제안 방법
- 3에서 실선은 방빙장치의 경계를 나타낸다. 격자 생성은 격자전용 생성 프로그램인 ANSYSGAMBIT을 사용하였으며, 격자수는 약 60만개로 Tetrahedral 격자계로 구성하였다. 또한 풍동 벽면효과를 감안하기 위해 고체벽면 경계조건을 부여하였다.
- 결빙 풍동시험의 경우 일반적인 풍동시험에 비해 액적과 항공기 외부 유동조건에 대한 상사성을 제어하는 것이 매우 어렵기 때문에 시험 모델은 좌우측 흡입구가 나란히 있는 1:1 크기의 모형을 사용하였다. 모델은 풍동의 크기를 고려하여 Windshield 상단에서 절단하여 시험모델을 제작하였다.
- 액적이 없는 상태에서의 유동장 계산을 수행한 다음, 계산된 유동장 결과를 바탕으로 축적율을 확인하고 축적율과 유동장 계산 결과를 이용하여 최종적으로 결빙형상 계산을 수행하였다. 결빙에 영향을 주는 인자를 고려하여 결빙 조건을 제시하였으며, 각 인자에 따른 결빙 영향성을 확인 하였다. 특히, MVD가 증가할수록 축적율의 크기와 액적 충돌영역이 증가하는 것을 알 수 있었으며, 총 결빙의 양은 LWC에 많은 영향을 받는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서는 전산 해석을 통하여 회전익기 엔진의 공기흡입구 주위 유동장과 결빙 증식을 계산하는 방식으로 방빙장치의 성능을 분석하였다. 과냉각된 액적으로 인한 결빙의 공기흡입구 유동 영향성을 분석하기 이전에 순수한 공기에 대한 유동장을 먼저 계산하였다. 그 후 과냉각된 액적이 모델 표면에 충돌하는 영역을 나타내는 축적율을 계산하였다.
- 과냉각된 액적으로 인한 결빙의 공기흡입구 유동 영향성을 분석하기 이전에 순수한 공기에 대한 유동장을 먼저 계산하였다. 그 후 과냉각된 액적이 모델 표면에 충돌하는 영역을 나타내는 축적율을 계산하였다. 마지막으로 계산된 축적율과 유동장 계산 정보를 바탕으로 결빙 증식 형상을 예측하였다.
- 격자 생성은 격자전용 생성 프로그램인 ANSYSGAMBIT을 사용하였으며, 격자수는 약 60만개로 Tetrahedral 격자계로 구성하였다. 또한 풍동 벽면효과를 감안하기 위해 고체벽면 경계조건을 부여하였다. Fig.
- 또한 회전익기 공기흡입구 주위에 대한 정확한 결빙 해석을 위해 유동장에 영향을 줄 수 있는 환경제어시스템 (ECS: Environment Control System)과 Nacelle의 흡입유동을 모사하였다. Fig.
- 또한 방빙장치 작동 유무에 따라 결빙의 질량이 감소 한 것을 확인하였다. 마지막으로 결빙 풍동시험과 전산 해석 예측결과를 비교하여 결빙 전산해석의 신뢰도를 검증하였다.
- 그 후 과냉각된 액적이 모델 표면에 충돌하는 영역을 나타내는 축적율을 계산하였다. 마지막으로 계산된 축적율과 유동장 계산 정보를 바탕으로 결빙 증식 형상을 예측하였다. 최종적으로 검증을 위해 결빙 풍동시험 결과와 전산해석 결과를 비교하였다.
- 결빙 풍동시험의 경우 일반적인 풍동시험에 비해 액적과 항공기 외부 유동조건에 대한 상사성을 제어하는 것이 매우 어렵기 때문에 시험 모델은 좌우측 흡입구가 나란히 있는 1:1 크기의 모형을 사용하였다. 모델은 풍동의 크기를 고려하여 Windshield 상단에서 절단하여 시험모델을 제작하였다. 결빙 풍동시험은 세계적으로 결빙 관련 최고의 시설로 알려진 이탈리아 남부 CAPUA에 위치한 CIRA의 ATS (Additional Test Section)에서 수행하였으며, 제원은 Table 1 및 Fig.
- 방빙장치의 유무에 따른 공기흡입구 주위 결빙 생성을 조사하였다. 방빙장치에 특정 온도를 부여한 경우, 방빙장치 영역 안에서 결빙이 급격히 감소하였다.
- 또한 항공기 표면 발생 결빙을 제거하기 위해 결빙이 되는 표면에 에틸렌글리콜과 알코올의 혼합물인 부동액을 도포하여 과냉각 액적의 결빙점을 낮추는 장치, 날개나 동체의 표면에 팽창이 가능한 신축성 튜브를 설치하여 결빙을 물리적으로 제거하는 장치, 전열선을 설치하거나 엔진 배기가스를 이용하여 표면에 열을 가하여 결빙을 방지하는 장치 등이 있다(15). 본 연구에서는 엔진의 공기흡입구 주위 결빙 발생 및 이물질의 유입을 사전에 차단하기 위해 표면에 전기를 이용한 전열선 방식의 방빙장치를 선정하였고, 방빙장치의 성능 보장을 위해 전열선의 온도를 적정수준으로 유지하였다.
- 이를 위해 본 연구에서는 먼저 전산 해석을 이용하여 회전익기 공기흡입구 주위 결빙을 예측하였다. 액적이 없는 상태에서의 유동장 계산을 수행한 다음, 계산된 유동장 결과를 바탕으로 축적율을 확인하고 축적율과 유동장 계산 결과를 이용하여 최종적으로 결빙형상 계산을 수행하였다. 결빙에 영향을 주는 인자를 고려하여 결빙 조건을 제시하였으며, 각 인자에 따른 결빙 영향성을 확인 하였다.
- 1과 같다. 엔진 작동 시 엔진흡입구 안쪽으로 유입되는 유량은 모델의 내부에 Fig. 2와 같이 Flow Control System을 제작하여 CIRA 결빙 풍동설비의 EFS (Engine Flow Simulation)에 연결하여 모사하였다.
- 액적의 크기를 동일하게 가정한 Mono-Disperse 분포에 비해 액적의 분포 편차가 클수록 반복 계산시간이 증가하게 되는 반면, 축적율의 경향성은 Mono-Disperse 와 Langmuir D 분포가 유사한 경향을 나타낸다(4). 이를 바탕으로 본 연구에서는 계산 시간이 짧은 Mono-Disperse 분포를 적용하여 계산을 수행하였다. 계산된 액적의 속도와 농도를 이용하여 액적이 물체에 부딪히는 정량적인 비율인 축적율을 계산할 수 있다.
- 결빙에 의한 항공기 사고를 예방하기 위해서는 제빙/방빙장치의 성능 연구가 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 전산 해석을 이용하여 회전익기 공기흡입구 주위 결빙을 예측하였다. 액적이 없는 상태에서의 유동장 계산을 수행한 다음, 계산된 유동장 결과를 바탕으로 축적율을 확인하고 축적율과 유동장 계산 결과를 이용하여 최종적으로 결빙형상 계산을 수행하였다.
- 항공기 공기흡입구 주위 축적율 결과를 바탕으로 방빙장치 유무에 따른 결빙 계산을 수행하였다. Figs.
- 회전익기 엔진 공기흡입구 주위 결빙을 계산하기 위해 전산유체역학 기법을 이용하였으며, 전처리 단계로서 공기흡입구 형상에 대한 모델링과 격자를 생성하였다.
- 회전익기 형상이 좌우 대칭형이므로 계산 시 간의 절감을 위해 전체 형상이 아닌 중심축을 기 준으로 분할하여 모델링과 격자를 생성하였다.
대상 데이터
- 모델은 풍동의 크기를 고려하여 Windshield 상단에서 절단하여 시험모델을 제작하였다. 결빙 풍동시험은 세계적으로 결빙 관련 최고의 시설로 알려진 이탈리아 남부 CAPUA에 위치한 CIRA의 ATS (Additional Test Section)에서 수행하였으며, 제원은 Table 1 및 Fig. 1과 같다. 엔진 작동 시 엔진흡입구 안쪽으로 유입되는 유량은 모델의 내부에 Fig.
데이터처리
- 마지막으로 계산된 축적율과 유동장 계산 정보를 바탕으로 결빙 증식 형상을 예측하였다. 최종적으로 검증을 위해 결빙 풍동시험 결과와 전산해석 결과를 비교하였다.
이론/모형
- 유동장 계산을 위한 지배방정식으로 대기권의 공기 흐름을 정확히 모사할 수 있고, 점성과 압축성 효과를 고려할 수 있는 3차원 압축성 Navier-Stokes 방정식을 이용하였다. 난류 모델로서는 점성 효과를 고려하기 위해 단순하면서도 상대적으로 정확한 값을 보여 주는 Spalart-Allmaras 모델을 적용하였다. 유동장 계산을 위해 상용 코드인 FLUENT(16)를 사용하였다.
- 액적량은 단위 체적당 포함된 액적의 질량을 의미하며, 액적의 크기는 구 형태로 가정된 액적의 직경을 나타낸다(17). 대기 중의 과냉각된 액적장을 계산하기 위해 Navier-Stokes 방정식과 유사한 Eulerian 기반 액적 충돌 방정식을 이용하였다. Eulerian 기반 액적장 모델의 경우, 유동장 계산에 적용된 격자계를 동일하게 적용할 수 있는 장점이 있고 현 공기흡입구와 같은 복잡한 3차원형상 대해 적용이 용이한 특성이 있다.
- 이러한 이유로 Rime Ice와는 달리 Glaze Ice를 계산하기 위해서는 전단력과 Heat Flux를 고려해야 한다(1). 액적 충돌 및 결빙 증식을 계산하기 위해 유한체적법과 유한요소법에 기초하여 수치적으로 구현한 최신 시뮬레이션 코드인 FENSAP-ICE(18)패키지의 하부 모듈인 DROP3D와 ICE3D를 사용하였다.
- 액적충돌 및 결빙증식 해석을 수행하기에 앞서 공기 유동장 계산이 선행되어야 한다. 유동장 계산을 위한 지배방정식으로 대기권의 공기 흐름을 정확히 모사할 수 있고, 점성과 압축성 효과를 고려할 수 있는 3차원 압축성 Navier-Stokes 방정식을 이용하였다. 난류 모델로서는 점성 효과를 고려하기 위해 단순하면서도 상대적으로 정확한 값을 보여 주는 Spalart-Allmaras 모델을 적용하였다.
- 난류 모델로서는 점성 효과를 고려하기 위해 단순하면서도 상대적으로 정확한 값을 보여 주는 Spalart-Allmaras 모델을 적용하였다. 유동장 계산을 위해 상용 코드인 FLUENT(16)를 사용하였다.
성능/효과
- 정량적인 분석을 위해 방빙장치의 작동 유무에 따른 결빙의 질량 및 최대두께의 감소율을 Tables 3, 4에 나타내었다. 그 결과 70~80%의 전체 결빙질량 및 두께가 감소하였으며, 20~30%의 완전히 제거되지 않은 결빙은 회전익기의 엔진 성능에 미치는 영향성은 그다지 크지 않을 것으로 판단된다.
- 6%로 나타났고, 특히 유동의 정체점 부근에서 생성된 결빙의 두께가 주변보다 작게 나타나는 새로운 사실을 확인하였다. 또한 결빙 전산해석 결과에서 정체점에서의 결빙의 두께가 결빙 풍동시험에 비해 상대적으로 두껍게 생성된 것을 확인 할 수 있다. 이는 정체점 부근에서 Roughness와 Ice 밀도 예측의 정확성 부족 등에 의한 오차라고 판단된다.
- 특히, MVD가 증가할수록 축적율의 크기와 액적 충돌영역이 증가하는 것을 알 수 있었으며, 총 결빙의 양은 LWC에 많은 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한 방빙장치 작동 유무에 따라 결빙의 질량이 감소 한 것을 확인하였다. 마지막으로 결빙 풍동시험과 전산 해석 예측결과를 비교하여 결빙 전산해석의 신뢰도를 검증하였다.
- 결빙이 생성된 분포형태가 공기흡입구 중심으로 비대칭으로 형성된 것은 결빙 전산해석과 결빙 풍동시험 시 회전익기 로터 블레이드의 영향성을 고려하기 위하여 자세각 (AOA -5°, AOS -2°)을 적용하였기 때문이다. 비교결과 결빙두께의 평균오차는 11.6%로 나타났고, 특히 유동의 정체점 부근에서 생성된 결빙의 두께가 주변보다 작게 나타나는 새로운 사실을 확인하였다. 또한 결빙 전산해석 결과에서 정체점에서의 결빙의 두께가 결빙 풍동시험에 비해 상대적으로 두껍게 생성된 것을 확인 할 수 있다.
- 결빙에 영향을 주는 인자를 고려하여 결빙 조건을 제시하였으며, 각 인자에 따른 결빙 영향성을 확인 하였다. 특히, MVD가 증가할수록 축적율의 크기와 액적 충돌영역이 증가하는 것을 알 수 있었으며, 총 결빙의 양은 LWC에 많은 영향을 받는 것을 확인하였다. 또한 방빙장치 작동 유무에 따라 결빙의 질량이 감소 한 것을 확인하였다.
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