[논문]2차원 날개의 유체-구조 연성해석

안병권; 이숙정; 김지혜; 김기섭

doi:10.3744/snak.2013.50.5.343

[국내논문] 2차원 날개의 유체-구조 연성해석
Fluid-Structure Interaction Analysis of Two-Dimensional Wings 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.50 no.5, 2013년, pp.343 - 348

안병권 (충남대학교 선박해양공학과) , 이숙정 (충남대학교 선박해양공학과) , 김지혜 (충남대학교 선박해양공학과) , 김기섭 (한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

When a natural frequency of the trailing edge of a wing is close to a vortex shedding frequency, an amplitude of the edge oscillation becomes maximal; it makes intensive noise called singing. Motion of the trailing edge may also feedback to the vortex shedding so that self-sustained oscillation appears, and a resonant frequency is locked in some interval of the speed of the incident flow. In this study, we first evaluate main features of oscillating characteristics of the wing. Second we simulate fluid-structure interaction of the wing with a flap using a commercial code, ANSYS-CFX, and investigate lift characteristics in a frequency domain.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 명음현상의 발생 메커니즘을 규명하고 효과적인 제어 방법을 모색하고자 하는 목적으로, 2차원 날개의 수학적 모델링을 통해 날개 구조물의 국부 고유진동수를 예측할 수 있음을 보였다. 또한 ANSYS-CFX를 이용하여 유체-구조 연성해석을 수행하고 그 결과를 주파수영역으로 변환하여 해석함으로써 2차원 날개의 국부적인 거동 특성을 확인하였다.
Lee and Kim (2007)은 진동하는 2차원 날개 단면 주위에 대한 유동장을 계산함 있어 상용프로그램을 이용하여 유동의 박리와 양력 특성 등을 보임으로써 유탄성 추진기 설계의 기초가 되는 연구가 진행하였으나, 이는 날개 단면 주위의 유동장에 대한 유체역학적인 수치계산만이 수행되어 연성에 의한 효과까지는 반영하지 못하였다. 본 연구에서는 명음현상의 발생 메커니즘을 이해하기 위한 목적으로 2차원 날개의 국부 고유진동수를 추정할 수 있는 수학적 모델을 개발하고, ANSYS-CFX를 이용한 유체-구조연성 해석을 수행하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 또한, 수학적 모델링 결과를 바탕으로 구속현상이 일어나는 속도영역을 확인하고 날개 뒷날의 모델링에 따른 유체-구조 연성 효과를 반영한 거동특성에 대한 수치 해석적 접근 방법의 타당성을 검토하였다.

제안 방법

이와 같은 특성을 보다 자세히 알아보기 위해 플랩이 없는 일반적인 날개를 Fig. 5와 같이 코드 길이의 10%와 25%의 플랩을 가지는 날개로 모델링하여 날개에 뒷날의 일부에 작용하는 국부 진동특성을 해석하였다.
먼저 해석 대상 물체의 유동장과 구조 해석을 위한 모델링을 수행하고 격자를 생성한다. 다음으로 CFX를 이용하여 유동장 해석을 수행하여 물체에 작용하는 하중을 계산하고, 이를 외력으로 사용하여 구조해석을 수행한다. 이때 구조해석 결과에 따라 변형된 물체 형상을 다시 모델링하여 유체력을 해석하는 과정을 반복적으로 수행하는 양방향 (two-way FSI) 연성해석을 수행하였다.
또한 ANSYS-CFX를 이용하여 유체-구조 연성해석을 수행하고 그 결과를 주파수영역으로 변환하여 해석함으로써 2차원 날개의 국부적인 거동 특성을 확인하였다. 더불어 플랩을 통해 날개 뒷날을 국부적으로 비 강제 자유진동을 할 수 있도록 모델링하고 양력특성에 대한 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 그 결과 특정 유동 속도에서 유체-구조 연성효과에 의한 자려진동 특성이 확연히 나타남을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 명음현상의 발생 메커니즘을 이해하기 위한 목적으로 2차원 날개의 국부 고유진동수를 추정할 수 있는 수학적 모델을 개발하고, ANSYS-CFX를 이용한 유체-구조연성 해석을 수행하여 그 결과를 비교, 분석하였다. 또한, 수학적 모델링 결과를 바탕으로 구속현상이 일어나는 속도영역을 확인하고 날개 뒷날의 모델링에 따른 유체-구조 연성 효과를 반영한 거동특성에 대한 수치 해석적 접근 방법의 타당성을 검토하였다.

대상 데이터

계산은 가장 일반적인 날개 단면인 NACA 0012를 대상으로 하였으며, 사용된 재료상수는 Table 1에 나타내었다. 앞서 설명한 바와 같이, 날개 구조물에서 발생하는 자려진동은 뒷날에 작용하는 유체력이 외력으로 작용하여 뒷날의 국부적인 고유진동수로 구속되는 특성이 있다.

데이터처리

유동장에 대한 수치해석은 속도 변화에 따른 양력 변화에 초점을 맞추어 2m/s부터 4m/s 간격으로 30m/s까지 유입속도를 변화시켜가며 수행하였다. 10%와 25% 플랩을 가진 경우에 대해 구조해석이 반영되어 연성해석이 이루어진 플랩의 양력과 유동장에 의한 유체력만을 계산한 날개의 본체의 양력을 구분하여 계산하였다.
Fig. 12에서 보는 바와같이 유동이 충분히 성장하였다고 판단되는 ∆t=200~500구간에 대해 유체-구조 연성이 적용된 플랩에서의 시간에 따른 양력의 변화를 FFT를 통한 주파수 분석을 수행하였다. 10% 플랩을 가진 경우뿐만 아니라 25% 플랩과 플랩이 없는 날개에 대해서도 같은 방법으로 계산을 수행하였다.
본 연구는 명음현상의 발생 메커니즘을 규명하고 효과적인 제어 방법을 모색하고자 하는 목적으로, 2차원 날개의 수학적 모델링을 통해 날개 구조물의 국부 고유진동수를 예측할 수 있음을 보였다. 또한 ANSYS-CFX를 이용하여 유체-구조 연성해석을 수행하고 그 결과를 주파수영역으로 변환하여 해석함으로써 2차원 날개의 국부적인 거동 특성을 확인하였다. 더불어 플랩을 통해 날개 뒷날을 국부적으로 비 강제 자유진동을 할 수 있도록 모델링하고 양력특성에 대한 유체-구조 연성해석을 수행하였다.
먼저 상용프로그램인 ANSYS-CFX를 이용하여 유체-구조 연성을 적용한 수치해석의 타당성을 확인하기 위해, 10%와 25%의 플랩을 가진 날개에 대해 연성이 없이 유동장만을 계산한 경우와 연성조건을 적용하고 계산한 경우를 비교하였다. 유동 특성이 충분하게 잘 나타날 것을 예상할 수 있는 속도인 V = 30m/s 조건에 대해 계산을 수행하였고, 그 결과를 Fig.
유체-구조 연성해석은 상용 프로그램인 ANSYS-CFX를 사용하였으며 해석과정을 Fig. 4에 나타내었다.
다음으로 CFX를 이용하여 유동장 해석을 수행하여 물체에 작용하는 하중을 계산하고, 이를 외력으로 사용하여 구조해석을 수행한다. 이때 구조해석 결과에 따라 변형된 물체 형상을 다시 모델링하여 유체력을 해석하는 과정을 반복적으로 수행하는 양방향 (two-way FSI) 연성해석을 수행하였다.

이론/모형

본 연구에 사용된 유동장의 격자는 상용 격자생성 프로그램인 Gridgen을 사용하였으며, Fig. 6와 같이 다중블록 정렬격자로 생성하였다.

성능/효과

더불어 플랩을 통해 날개 뒷날을 국부적으로 비 강제 자유진동을 할 수 있도록 모델링하고 양력특성에 대한 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 그 결과 특정 유동 속도에서 유체-구조 연성효과에 의한 자려진동 특성이 확연히 나타남을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	명음이란 무엇인가	그 대표적인 예로 전선이나 해저 송유관 등에서 발생하는 갤러핑(galloping) 현상이나 날개깃의 불규칙 진동을 들 수 있다. 특히 자려진동의 일환으로 유동 중에 있는 물체의 국부적인 진동과 물체로부터 박리되는 와류가 공진할 때 발생하는 강한 소음을 명음(singing)이라 한다.
	자려진동이란 무엇인가	탄성물체에 외부로부터 기진력이 작용하지 않더라도 발생하는 진동을 자려진동(self-sustained oscillation)이라고 한다. 그 대표적인 예로 전선이나 해저 송유관 등에서 발생하는 갤러핑(galloping) 현상이나 날개깃의 불규칙 진동을 들 수 있다.
	자려진동의 대표적인 예는 무엇이 있는가	탄성물체에 외부로부터 기진력이 작용하지 않더라도 발생하는 진동을 자려진동(self-sustained oscillation)이라고 한다. 그 대표적인 예로 전선이나 해저 송유관 등에서 발생하는 갤러핑(galloping) 현상이나 날개깃의 불규칙 진동을 들 수 있다. 특히 자려진동의 일환으로 유동 중에 있는 물체의 국부적인 진동과 물체로부터 박리되는 와류가 공진할 때 발생하는 강한 소음을 명음(singing)이라 한다.

참고문헌 (5)

Blake, W.K., 1986. Mechanics of Flow-Induced Sound and Vibration. Volume I. Academic Press, INC.
Hwang, W.W. et al., 2011. Study on the propeller singing noise in commercial vessels. Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference, Gangwon, 27-29 April 2011, pp.471-472.
Kim, D.H. & Chung, K.Y., 1994. A Study on he Propeller Blade Singing Place of An 86,000 ton Deadweight Crude Oil Tanker. Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, 31(3), pp.59-64.
Lee, H.B. & Rhee, S.H., 2011. Fluid-structure interaction analysis of two-dimensional flow around a moving cylinder. Proceedings of the Korean Society of Computational Fluid Engineering Conference, JEJU, 26-27 May 2011, pp.68-74.
Lee, P.K. & Kim, H.T., 2007. Computational of Viscous Flows around a Two-dimensional Oscillating Airfoil. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 44(1), pp.8-25.

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