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문제 정의
- 본 연구에서는 Busemann biplane에 플랩을 적용하여 양력은 발생하면서 급격한 항력증가가 없는 flapped biplane에 대한 연구를 하였다. 기존의 연구[4]를 통해 Busemann biplane은 유도항력의 영향이 적게 나타나므로, 본 연구에서도 flapped biplane에 대한 연구를 2D로 진행하였다.
- 10과 같이 항력의 급격한 증가가 없이 양력을 발생시킨다. 본 연구에서는 순항시에 Busemann biplane을 받음각의 변화 없이 충분한 양력을 얻고 항력을 감소시키기 위해 플랩을 장착하여, 플랩의 길이와 각도에 따른 양력, 항력 그리고 양항비와 같은 공력 성능을 분석하는 연구를 수행하였다.
- 또한, 초음속 여객기에서 중요시 되는 소음을 비교하기 위해, 소음을 발생시키는 충격파의 강도(shock strength)를 비교 분석하였다. 본 연구에서는 초음속으로 순항 시에 소음과 항력 감소가 나타나는 flapped biplane의 유용성을 확인할 수 있었다.
- 앞서 살펴본 것과 같이 Busemann biplane은 양력을 발생시키기 위해 받음각을 증가시킬 경우 항력이 크게 증가하여 양력증가에 한계가 존재한다. 이를 보안하기 위해 본 연구에서는 플랩을 장착한 Busemann biplane을 순항 조건에서 사용하고자 하였다. 기존의 연구에서는 플랩을 Busemann biplane에 장착하여 이륙시 고양력 장치로 적용시키려는 연구가 진행되었다.
제안 방법
- (1) Flapped biplane의 공력 성능을 비교 분석하기 위해 받음각에 따른 기본 biplane 형상과 두께가 기본 biplane과 같은 diamond airfoil의 공력 성능의 변화를 분석하였다.
- (2) Flapped biplane을 플랩의 각도와 길이의 변화에 따라 해석하여, 공력 특성 및 공력 성능의 변화를 분석하였다.
- (2) flapped biplane의 양력과 항력의 변화를 살펴보았다. 그 결과, 플랩의 길이에 따라 양력과 항력이 선형적으로 증가하고, 특정한 플랩의 각도에서 최대 양항비가 도출되었다.
- 2의 확대한 부분을 보는 것과 같이, M∞와 Mt 그리 Mt와 Mm의 관계를 고려하여, ε, β 그리고 β’을 계산하고 익형의 두께를 결정하였다. Busemann biplane의 조건을 마하수 1.7과 마하수 2.0 두 가지로 하고, 익형사이의 거리를 0.5c로 고정한 조건에서 계산하였다. 마하수 1.
- EDISON CFD로 Busemann biplane의 해석 결과를 검증하기 위해, 마하수와 받음각의 변화에 따른 양력과 항력에 대한 해석을 수행하였다. 검증 대상은 일본의 Kazuhiro가 해석한 CFD 결과[4]로 하였다.
- EDISON CFD를 활용하여 초음속 민간 여객기의 순항에 적용 가능한 초음속 익형으로써, flapped biplane의 공기역학적 특성을 살펴보았다. 초음속 순항조건에 적용하기위한 기초적 연구로 2D 해석을 수행하였다.
- Flapped biplane, Busemann biplane, 그리고 diamond airfoil 해석은 교육을 목적으로 제공된 웹 기반의 CFD 툴인 EDISON CFD[7]라는 전산 열유체 해석 프로그램을 사용하였다. EDISON CFD에서 다양한 코드 중 압축성 효과를 해석할 수 있는 2D-comp 2.1 model로 하여 계산을 수행하였다. 초음속 유동의 익형은 압축성 효과로 인한 항력이 점성으로 인한 항력에 비해 더 크므로 Euler solver로 해석 하였다.
- 초음속 유동의 익형은 압축성 효과로 인한 항력이 점성으로 인한 항력에 비해 더 크므로 Euler solver로 해석 하였다. Euler solver는 flow type을 inviscid flow로 설정하고 격자 생성시 익형을 inviscid wall로 하여 벽면에서 점성이 고려되지 않도록 설정 하였다. 공간차분 기법은 밀도차가 큰 압축성 2차원 유동장을 해석하기에 적합한 RoeM 기법을 선택하였다.
- Fig. 2의 확대한 부분을 보는 것과 같이, M∞와 Mt 그리 Mt와 Mm의 관계를 고려하여, ε, β 그리고 β’을 계산하고 익형의 두께를 결정하였다.
- Flapped biplane, Busemann biplane, 그리고 diamond airfoil 해석은 교육을 목적으로 제공된 웹 기반의 CFD 툴인 EDISON CFD[7]라는 전산 열유체 해석 프로그램을 사용하였다. EDISON CFD에서 다양한 코드 중 압축성 효과를 해석할 수 있는 2D-comp 2.
- Flapped biplane과 Busemann biplane 그리고 diamond airfoil 의 압력과 전압력을 비교하였다. 그 결과 flapped biplane의 충격파 강도가 작아 소음 감소에 효과가 있는 것을 확인하였다.
- Flapped biplane의 동일 양력에서의 항력을 비교 분석하기 위해, 기본 Busemann biplane과 diamond airfoil의 받음각에 따른 양력과 항력을 구하였다. 이때 받음각은 0°에서 10°도까지 2°씩 계산하였다.
- 0에서 플랩의 길이와 각도에 따라 공력 특성을 분석하였다. Flapped biplane의 효과를 분석하기 위해 Busemann biplane과 diamond airfoil과 동일 양력에서 항력을 비교 분석하였다. 또한, 초음속 여객기에서 중요시 되는 소음을 비교하기 위해, 소음을 발생시키는 충격파의 강도(shock strength)를 비교 분석하였다.
- 1씩, 그리고 플랩 각도(α)를 0°에서 10°까지 2°씩 하여 양력과 항력을 계산하였다. 공력 성능을 비교 분석시에 같은 양력에서 항력의 차이를 중점적으로 비교하였다. 마지막으로 충격파의 강도를 비교할 때도 같은 양력에서 분석하였다.
- 본 연구에서는 Busemann biplane에 플랩을 적용하여 양력은 발생하면서 급격한 항력증가가 없는 flapped biplane에 대한 연구를 하였다. 기존의 연구[4]를 통해 Busemann biplane은 유도항력의 영향이 적게 나타나므로, 본 연구에서도 flapped biplane에 대한 연구를 2D로 진행하였다. 콩코드와 같은 순항 속도인 마하수 2.
- Busemann biplane을 이용한 3차원 확장 결과에서 유도항력은 무시할 수 있는 수준으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 flapped biplane의 해석을 2D로 수행하였다.
- 충격파의 강도가 강할수록 전압력은 보다 감소하게 된다. 따라서 압력 변화와 충격파에 의한 전압력 감소를 비교하였다. Fig.
- Flapped biplane의 효과를 분석하기 위해 Busemann biplane과 diamond airfoil과 동일 양력에서 항력을 비교 분석하였다. 또한, 초음속 여객기에서 중요시 되는 소음을 비교하기 위해, 소음을 발생시키는 충격파의 강도(shock strength)를 비교 분석하였다. 본 연구에서는 초음속으로 순항 시에 소음과 항력 감소가 나타나는 flapped biplane의 유용성을 확인할 수 있었다.
- 공력 성능을 비교 분석시에 같은 양력에서 항력의 차이를 중점적으로 비교하였다. 마지막으로 충격파의 강도를 비교할 때도 같은 양력에서 분석하였다.
- Busemann biplane은 마하수에 따라 충격파의 형태가 변화 하게 되므로 이에 따른 항력의 변화가 크게 나타나게 된다. 마하수를 0.3에서 2.1까지 변화시켜 마하수에 따른 항력계수를 계산하였다. 그 결과 Fig.
- 받음각이 있는 Busemann biplane과 받음각은 없고 플랩이 있는 Busemann biplane의 양력과 항력을 비교하였다. Table 1을 보면, 받음각 없이 플랩의 길이를 코드길이의 30%로 2°를 주었을 경우 거의 동일한 양력과 항력을 발생시킨다.
- 초음속 민간 여객기는 충격파로 인한 소음을 감소시키는 것이 중요시되고 있다. 본 연구에서는 flapped biplane의 공력성능을 분석 하는 것뿐 아니라, 충격파의 강도를 비교하여 flapped biplane의 소음 감소 효과 또한 분석하였다.
- 본 연구에서는 초음속 민간 항공기 중 가장 성공적이었던 콩코드 여객기와 같은 속도인 마하수 2.0에서 순항하는 flapped biplane을 플랩의 길이와 각도의 변화에 따라 공력 성능의 변화를 분석하였다.
- 본 연구에서는 초음속 조건에서의 유동해석을 2D로 진행하였다. Matsushima[4]의 연구에서는 2D Busemann biplane을 3D로 확장한 것이 있다.
- 이에 본 연구에서는 앞선 연구를 참고하여 익형에서 h/c=5인 곳의 압력 분포로 소음의 강도를 비교하였다. 소음의 강도는 압력의 최댓값과 최솟값의 차로 충격파의 강도를 비교하여 분석하였다.
- 시위 길이를 1로 하여 플랩 길이와 시위 길이의 비(f/c)를 0.1에서 0.3까지 0.1씩, 그리고 플랩 각도(α)를 0°에서 10°까지 2°씩 하여 양력과 항력을 계산하였다.
- 충격파의 강도 비교는 일본의 Hiroshi에 의해 진행된 연구[6]를 참고하였다. 앞선 연구에서는 CFD로 계산한 결과로 익형에 의해 발생된 충격파가 지상으로 소음을 전파되는 것을 수치적으로 계산하였다. 이때 충격파로 인해 생기는 익형 부근에서의 압력 변화는 지상에까지 전달되어 소음이 발생한다.
- 앞에서 마하수에 따른 유동 해석을 살펴보았다. 이를 통해 Busemann biplane은 off-design에서 on-design 보다 항력이 높아지기 때문에 성능이 떨어지게 된다.
- Flapped biplane은 충격파 상쇄를 유지하면서 플랩의 길이와 각도의 증가에 따라 양력과 항력을 발생시킨다. 이러한 flapped biplane의 양력과 항력을 Busemann biplane 및 diamond airfoil과 비교해 보았다. Fig.
- 09c로 계산되었다. 이를 활용하여 Busemann biplane의 형상을 구한 후 정한 형상에 플랩을 장착하여 계산하였다.
- 익형에서 h/c=5인 곳의 압력 분포는 점성에 의한 난류, 박리 현상과 상관없어 지상에 전달되는 압력 분포와 비슷하다는 결론이 나왔다. 이에 본 연구에서는 앞선 연구를 참고하여 익형에서 h/c=5인 곳의 압력 분포로 소음의 강도를 비교하였다. 소음의 강도는 압력의 최댓값과 최솟값의 차로 충격파의 강도를 비교하여 분석하였다.
- 지상에 전달되는 소음의 강도를 살펴보기 위해 선행 연구[6]를 참고하여 동일한 양력일 때 익형의 밑면으로 h/c=5인 부분의 압력 변화를 비교하였다. Fig.
- EDISON CFD를 활용하여 초음속 민간 여객기의 순항에 적용 가능한 초음속 익형으로써, flapped biplane의 공기역학적 특성을 살펴보았다. 초음속 순항조건에 적용하기위한 기초적 연구로 2D 해석을 수행하였다. Flapped biplane은 기본 Busemann biplane와 달리 궁형 충격파를 발생시키지 않아 급격한 항력의 증가 없이 양력을 발생하였다.
- 1 model로 하여 계산을 수행하였다. 초음속 유동의 익형은 압축성 효과로 인한 항력이 점성으로 인한 항력에 비해 더 크므로 Euler solver로 해석 하였다. Euler solver는 flow type을 inviscid flow로 설정하고 격자 생성시 익형을 inviscid wall로 하여 벽면에서 점성이 고려되지 않도록 설정 하였다.
- 기존의 연구[4]를 통해 Busemann biplane은 유도항력의 영향이 적게 나타나므로, 본 연구에서도 flapped biplane에 대한 연구를 2D로 진행하였다. 콩코드와 같은 순항 속도인 마하수 2.0에서 플랩의 길이와 각도에 따라 공력 특성을 분석하였다. Flapped biplane의 효과를 분석하기 위해 Busemann biplane과 diamond airfoil과 동일 양력에서 항력을 비교 분석하였다.
- 플랩의 길이와 양항비의 관계, 그리고 플랩의 각도와 양항비의 관계를 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- 검증 대상은 일본의 Kazuhiro가 해석한 CFD 결과[4]로 하였다. 검증 대상은 비정상 유동으로 해석하여 유동의 hysteresis가 보이나, 본 연구의 검증은 정상 유동인 감속 과정을 대상으로 하였다. 해석은 Fig.
- EDISON CFD로 Busemann biplane의 해석 결과를 검증하기 위해, 마하수와 받음각의 변화에 따른 양력과 항력에 대한 해석을 수행하였다. 검증 대상은 일본의 Kazuhiro가 해석한 CFD 결과[4]로 하였다. 검증 대상은 비정상 유동으로 해석하여 유동의 hysteresis가 보이나, 본 연구의 검증은 정상 유동인 감속 과정을 대상으로 하였다.
- 3의 (b)와 같이 inviscid wall 조건으로 설정했다. 격자 생성시 격자는 총 122,412개로 생성하였다. 유동조건으로는 마하수를 2.
- 이는 flapped biplane이 높은 마하수에서 항력과 소음의 감소 효과가 발생한다는 것이다. 따라서 본 연구에서는 flapped biplane을 해석 대상으로 하였다.
데이터처리
- 7에서 받음각에 따른 양력과 항력 계수를 Kazuhiro.K의 계산 결과와 비교함으로써 EDISON CFD를 검증하였다. 그 결과, Fig.
이론/모형
- Euler solver는 flow type을 inviscid flow로 설정하고 격자 생성시 익형을 inviscid wall로 하여 벽면에서 점성이 고려되지 않도록 설정 하였다. 공간차분 기법은 밀도차가 큰 압축성 2차원 유동장을 해석하기에 적합한 RoeM 기법을 선택하였다. 시간적분 기법으로는 유동 해석 할 때 많은 기억 용량을 요구하지 않고 반복 계산의 시간이 적은 LU-SGS 기법을 택하였다.
- 충격파의 강도 비교는 일본의 Hiroshi에 의해 진행된 연구[6]를 참고하였다. 앞선 연구에서는 CFD로 계산한 결과로 익형에 의해 발생된 충격파가 지상으로 소음을 전파되는 것을 수치적으로 계산하였다.
- 검증 대상은 비정상 유동으로 해석하여 유동의 hysteresis가 보이나, 본 연구의 검증은 정상 유동인 감속 과정을 대상으로 하였다. 해석은 Fig. 2와 같은 형태의 익형으로 z/c=0.5, t/c=0.05이고, 마하수 1.7 on-design 조건으로 Euler equation을 사용하여 수행하였다.
성능/효과
- ΔP/P∞값에서 최댓값과 최솟값의 압력차를 비교한 결과, flapped biplane의 압력차가 Busemann biplane이 56.80% 작고 diamond airfoil보다 54.78% 작게 나왔다.
- (1) Flapped biplane을 해석한 결과 초음속 영역에서 플랩은 압축성 효과로 인해 아음속 영역보다 양력의 발생량이 더 크게 나타났다.
- (3) Flapped biplane과 기본 biplane 및 diamond airfoil의 동일 양력 상에서 항력과 충격파의 강도를 비교하여 항력 및 소음 의 감소 효과를 확인하였다.
- (3) 동일 양력일 경우 flapped biplane은 항력 감소 효과가 있다. Flapped biplane의 양력과 항력을 기본 biplane형상 및 diamond airfoil과 비교한 결과 동일 양력에서 항력이 Busemann biplane보다 88.
- (4) 익형에서 h/c=5 떨어진 곳의 압력 변화를 통해 충격파의 강도를 비교하여 상대적인 소음을 비교한 결과, flapped biplane의 압력차가 Busemann biplane이 56.80% 작고 diamond airfoil보다 54.78% 작게 나와 소음 감소에 효과적인 익형임을 확인할 수 있었다.
- (3) 동일 양력일 경우 flapped biplane은 항력 감소 효과가 있다. Flapped biplane의 양력과 항력을 기본 biplane형상 및 diamond airfoil과 비교한 결과 동일 양력에서 항력이 Busemann biplane보다 88.76% 낮고 diamond airfoil보다 70.67% 낮게 나왔다.
- ∆P0/P0∞ 값에서 최솟값의 전압력차를 비교한 결과, flapped biplane의 전압력차가 Busemann biplane이 74.20% 작고 diamond airfoil보다 77.11%작게 나왔다.
- 1까지 변화시켜 마하수에 따른 항력계수를 계산하였다. 그 결과 Fig. 5와 같이 전 영역에서 EDISON CFD과 Kazuhiro의 결과는 해석을 수행한 전 마하수에서 일치한 결과를 보인다.
- Flapped biplane과 Busemann biplane 그리고 diamond airfoil 의 압력과 전압력을 비교하였다. 그 결과 flapped biplane의 충격파 강도가 작아 소음 감소에 효과가 있는 것을 확인하였다.
- (2) flapped biplane의 양력과 항력의 변화를 살펴보았다. 그 결과, 플랩의 길이에 따라 양력과 항력이 선형적으로 증가하고, 특정한 플랩의 각도에서 최대 양항비가 도출되었다. 그 관계식은 L/Dmax= 10.
- 플랩의 길이가 증가함에 따라 양력 계수와 항력 계수가 선형적으로 증가한다. 또한, 플랩의 각도가 증가할수록 플랩의 길이에 대한 양력과 항력의 기울기가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 플랩의 각도와 길이의 증가는 양력 계수와 항력 계수를 증가시키는 것을 확인할 수 있다.
- 45% 미만으로 크게 나타나지 않는다. 이를 통해 flapped biplane이 off-design에서도 양력을 발생시키면서도 항력의 차가 적게 나타나는 것을 확인하였다.
- 또한, 플랩의 각도가 증가할수록 플랩의 길이에 대한 양력과 항력의 기울기가 증가하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 플랩의 각도와 길이의 증가는 양력 계수와 항력 계수를 증가시키는 것을 확인할 수 있다.
- 익형 바깥쪽의 압렵 분포는 지상의 압력 분포와 유사한 형태를 가지게 된다. 익형에서 h/c=5인 곳의 압력 분포는 점성에 의한 난류, 박리 현상과 상관없어 지상에 전달되는 압력 분포와 비슷하다는 결론이 나왔다. 이에 본 연구에서는 앞선 연구를 참고하여 익형에서 h/c=5인 곳의 압력 분포로 소음의 강도를 비교하였다.
후속연구
- Busemann biplane과 flapped biplane의 3D해석으로는 winglet 이외에도 후퇴각과 테이퍼 비를 주는 방법이 있다. 그러나 이 연구는 낮은 후퇴각과 테이퍼 비에서만 적용할 수 있는 기초연구이다. 따라서 추후의 연구를 위해 후퇴각과 테이퍼 비를 고려한 2D 연구가 필요하다.
- 그러나 이 연구는 낮은 후퇴각과 테이퍼 비에서만 적용할 수 있는 기초연구이다. 따라서 추후의 연구를 위해 후퇴각과 테이퍼 비를 고려한 2D 연구가 필요하다.
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