[논문]무인비행체 블레이드 형상 변화에 따른 단일로터의 제자리 비행 추력성능 분석

윤재현; 최하영; 이종수

doi:10.3795/ksme-a.2014.38.5.513

무인비행체 블레이드 형상 변화에 따른 단일로터의 제자리 비행 추력성능 분석
CFD-based Thrust Analysis of Unmanned Aerial Vehicle in Hover Mode: Effects of Single Rotor Blade Shape 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.5, 2014년, pp.513 - 520

윤재현 (연세대학교 기계공학부) , 최하영 (동양미래대학교 기계공학부) , 이종수 (연세대학교 기계공학부)

초록
AI-Helper

무인비행체는 소형화, 경량화가 중요하기 때문에 동력장치에 한계가 있다. 공력성능을 향상을 위해 항공기의 크기나 무게에 영향을 주지 않는 블레이드의 형상의 변화를 주는 것이 가장 효율적이다. 본 연구에서는 제자리 비행을 하는 멀티로터 무인비행체에 있어 단일 로터 블레이드의 테이퍼 비율, 비틀림 각도 등에 따른 추력성능의 변화를 전산유동해석 시뮬레이션을 통해 수행하였다. 전산유동해석 코드인 ADINA-CFD 를 통해 얻은 수치 결과를 깃 요소 이론(blade element theory, BET)과 비교하였으며, 블레이드의 형상 변화가 추력성능에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An unmanned aerial vehicle (UAV) should be designed to be as small and lightweight as possible to optimize the efficiency of changing the blade shape to enhance the aerodynamic performance, such as the thrust and power. In this study, a computational fluid dynamics (CFD) simulation of an unmanned multi-rotor aerial vehicle in hover mode was performed to explore the thrust performance in terms of the blade rotational speed and blade shape parameters (i.e., taper ratio and twist angle). The commercial ADINA-CFD program was used to generate the CFD data, and the results were compared with those obtained from blade element theory (BET). The results showed that changes in the blade shape clearly affect the aerodynamic thrust of a UAV rotor blade.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 수직 이·착륙이 가능한 회전익항공기를 다루고자 한다.
본 연구는 블레이드 형상 변화에 따른 추력의 값을 비교 하려 한다. 추력의 값을 얻기 위해서 전산유체해석 프로그램인 ADINA-CFD 를 사용하여 계산 하였다.
본 연구에서는 로터가 4 개인 쿼드콥터의 블레이드의 형상 변화에 따른 추력 성능을 분석 하였다. 4 개의 로터의 성능 분석에 앞서, 블레이드 형상 변화에 따라 변화하는 추력 성능을 분석하기 위해 1 개의 로터에 대해 유동 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 회전익 항공기의 종류인 멀티콥터가 제자리 비행을 한다는 가정하에 블레이드의 형상 변화에 따른 추력 성능의 변화를 연구 하였다. 모델 선정을 위해 3 차원 CAD 소프트웨어를 이용하여 쿼드콥터를 모델링 하였으며, CAE 소프트웨어인 ADINA-CFD⁽⁴⁾를 사용하여 블레이드의 추력 값을 계산할 수 있었다.

가설 설정

블레이드의 개수는 2 개로 정해져 있으며, 비압축성 유체로 밀도의 변화는 없다고 가정 하여 두 항은 적분기호 밖으로 나오게 된다. 회전속도, 시위길이, 양력계수는 블레이드의 길이에 따라 변화 됨으로 적분을 통하여 계산하게 된다.

제안 방법

3 차원 CAD 소프트웨어를 이용하여 Fig. 1 과 같이 쿼드콥터 형상을 정의 하였으며, 4 개의 로터의 성능 분석에 앞서, 블레이드 형상 변화에 따라 변화하는 추력 성능을 분석하기 위해 1 개의 로터를대상으로 유동 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 로터가 4 개인 쿼드콥터의 블레이드의 형상 변화에 따른 추력 성능을 분석 하였다. 4 개의 로터의 성능 분석에 앞서, 블레이드 형상 변화에 따라 변화하는 추력 성능을 분석하기 위해 1 개의 로터에 대해 유동 해석을 수행하였다. 전산유체해석을 통해 얻어진 결과로 형상 변화에 따른 추력성능 비교에서 동일한 블레이드 회전 속도에 있어, 형상의 변화가 비교적 많이 바뀌는 것이 일정한 형태의 형상을 가진 블레이드 보다 좀 더 좋은 추력 성능을 나타나고 있음을 보여준다.
추력의 값을 얻기 위해서 전산유체해석 프로그램인 ADINA-CFD 를 사용하여 계산 하였다. 경계 조건은 Fig. 4 에 표현 하였으며, 블레이드는 벽면조건(Wall condition)을 주었고, 원통 형태의 부분은 블레이드의 회전 운동을 묘사하기 위해 회전하는 부분과 회전하지 않는 부분에 회전(Sliding mesh)조건을 이용하였다. 외곽의 사각형 부분은 유동장으로 벽면에서의 마찰이 없는(Slip condition) 조건을 부여하였다.
이에 외부 유동장을 작게 형성하였고, 외부 유동장의 크기 변화에 따른 출력의 값이 미미한 변화를 보였다. 따라서, 본 연구에서는 해석 수행시간을 단축하고자 외부 유동장의 크기를 작게 형성하여3 가지의 형상의 에어포일 모두 같은 조건으로 설정 하여 해석을 수행하였다.⁽⁹⁾
유동해석을 위하여 블레이드의 크기와 회전속도 등을 고려하여 레이놀즈 수를 계산하였다.⁽⁷⁾
전산유체해석을 통해 얻어진 결과로 동일한 블레이드 회전 속도에 있어 형상 변화에 따른 추력 성능을 비교하였다. 좀 더 객관적인 비교를 위하여 Case A 와 같은 형상으로 시위길이의 변화가 없고, 비틀림 각도의 변화가 없이 일정한 피치 각과 일정한 시위길이를 갖는 블레이드를 포함하여 추력 성능을 비교 하였다.
전산유체해석을 통해 얻어진 결과로 동일한 블레이드 회전 속도에 있어 형상 변화에 따른 추력 성능을 비교하였다. 좀 더 객관적인 비교를 위하여 Case A 와 같은 형상으로 시위길이의 변화가 없고, 비틀림 각도의 변화가 없이 일정한 피치 각과 일정한 시위길이를 갖는 블레이드를 포함하여 추력 성능을 비교 하였다.
피치 각은 10°에서 30° 까지 10°간격으로, 회전 각 속도는 600rpm 에서 1400rpm 까지 400rpm 간격의조건으로 추력의 변화를 계산하였다.

대상 데이터

3 가지 경우의 블레이드 형상에 적용되는 치수 및 형상관련 데이터를 Table 2 에 나타내었다. 모델에 사용된 단면은 시위 선을 기준으로 위, 아래 형상이 대칭으로 이루어진 NACA0012 를 선정하였다. 피치 각은 10°에서 30° 까지 10°간격으로, 회전 각 속도는 600rpm 에서 1400rpm 까지 400rpm 간격의조건으로 추력의 변화를 계산하였다.
본 연구에서 고려한 블레이드의 형상은 3 가지이며, Fig. 2 에 나타내었다. 블레이드 형상에 대한 구분은 Table 1 에 나타내었다.
본 연구에서는 형상이 변화되는 블레이드의 공력성능을 단일로터로 알아보고자 하였으며, 대상은 로터가 4 개로 구성된 쿼드콥터이다. 쿼드콥터는 4 개의 로터로 이루어져 있으며, 로터가 대칭 적으로 회전하기 때문에 비행에 있어 안정적이고 제작이 단순하여 시중에서 쉽게 접할 수 있는 쿼드콥터를 선정 하였다.
본 연구에서는 형상이 변화되는 블레이드의 공력성능을 단일로터로 알아보고자 하였으며, 대상은 로터가 4 개로 구성된 쿼드콥터이다. 쿼드콥터는 4 개의 로터로 이루어져 있으며, 로터가 대칭 적으로 회전하기 때문에 비행에 있어 안정적이고 제작이 단순하여 시중에서 쉽게 접할 수 있는 쿼드콥터를 선정 하였다.⁽⁵⁾

데이터처리

120m 끝 단지점까지의 시위길이가 감소하는 부분에 해당한다. 두 식을 이용하여 시위길이가 증가하는 부분과 감소하는 부분의 추력 식을 계산하고, 식 (13), (14) 의 계산 값을 합하여 추력의 값을 얻어 전산유체 해석을 통해 얻어진 추력의 값과 비교하였다.
본 연구에서는 회전익 항공기의 종류인 멀티콥터가 제자리 비행을 한다는 가정하에 블레이드의 형상 변화에 따른 추력 성능의 변화를 연구 하였다. 모델 선정을 위해 3 차원 CAD 소프트웨어를 이용하여 쿼드콥터를 모델링 하였으며, CAE 소프트웨어인 ADINA-CFD⁽⁴⁾를 사용하여 블레이드의 추력 값을 계산할 수 있었다.
전산유체 해석 코드로 얻어진 결과 값과 깃 요소 이론(blade element theory, BET)식(10,11) 계산 값의 비교 검증을 통해 추력 값을 확인하였다. 식 (7) 은 3 가지 형상 중 변화가 가장 많은 블레이드에 대한 식을 표현하였다.
본 연구는 블레이드 형상 변화에 따른 추력의 값을 비교 하려 한다. 추력의 값을 얻기 위해서 전산유체해석 프로그램인 ADINA-CFD 를 사용하여 계산 하였다. 경계 조건은 Fig.

이론/모형

본 연구에서 사용된 ADINA 에서는 회전체의 해석을 하기 위해서 Rotating Reference Frame 기법을 사용하였다. Fig.
3 은 Ω 의 각속도로 회전하는 성분의 고정좌표와 회전좌표를 나타낸다. 비정상 상태의 비압축성, 3 차원, 점성 유동장으로 NavierStokes 방정식을 이용하여 해석을 수행하였으며, 유동해석을 위한 지배방정식은 다음과 같다.⁽⁴⁾

성능/효과

이는 에어포일 이론에 의해 얻어진 양력계수의 값에서 차이를 갖는다고 판단된다. 실험을 통해 얻어진 양력계수의 값과 에어포일 이론을 통해 얻어진 양력계수의 값을 비교한 결과 블레이드의 피치 각이 작을 경우 일치함을 보이지만, 피치 각이 커지면서 에어포일이론으로 계산된 양력계수 값이 약간의 큰 값을 갖는 것이 보여지고 있다. ⁽¹²⁾ 하지만 위 결과를 볼때 두 값은 비교적 일치한다고 판단된다.
이는 블레이드의 끝 단으로 갈수록 와류가 생기게 되면서 내리 흐름이 생성되는데, 길이 방향으로 시위길이가 작아지는 테이퍼진 형상인 블레이드의 경우 끝 단의 면적이 작아지게 되면서 블레이드 끝 단의 와류 현상을 감소시켜 좀더 좋은 추력 성능을 나타낸 것으로 판단된다. 이 연구를 통해서 멀티콥터의 성능을 향상 시키고자 할 때, 전체적인 형상이나, 무게에 영향을 주지 않고, 블레이드의 형상의 변화로 성능을 향상 시킬 수 있음을 보여준다. 향후 4 개의 로터 회전 시 유동흐름의 간섭 영향을 고려한 블레이드 형상 변화에 따른 연구가 필요할 것으로 판단된다.
전산유체해석을 통해 압력과 유체의 속도를 얻을 수 있었으며, 블레이드의 형상이 변화 됨에 따라서 압력과, 유체의 속도가 다르게 나타나지는 것을 확인할 수 있었다. 블레이드의 압력분포를 Fig.
4 개의 로터의 성능 분석에 앞서, 블레이드 형상 변화에 따라 변화하는 추력 성능을 분석하기 위해 1 개의 로터에 대해 유동 해석을 수행하였다. 전산유체해석을 통해 얻어진 결과로 형상 변화에 따른 추력성능 비교에서 동일한 블레이드 회전 속도에 있어, 형상의 변화가 비교적 많이 바뀌는 것이 일정한 형태의 형상을 가진 블레이드 보다 좀 더 좋은 추력 성능을 나타나고 있음을 보여준다. 이는 블레이드의 끝 단으로 갈수록 와류가 생기게 되면서 내리 흐름이 생성되는데, 길이 방향으로 시위길이가 작아지는 테이퍼진 형상인 블레이드의 경우 끝 단의 면적이 작아지게 되면서 블레이드 끝 단의 와류 현상을 감소시켜 좀더 좋은 추력 성능을 나타낸 것으로 판단된다.

후속연구

이 연구를 통해서 멀티콥터의 성능을 향상 시키고자 할 때, 전체적인 형상이나, 무게에 영향을 주지 않고, 블레이드의 형상의 변화로 성능을 향상 시킬 수 있음을 보여준다. 향후 4 개의 로터 회전 시 유동흐름의 간섭 영향을 고려한 블레이드 형상 변화에 따른 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공기의 수직 이·착륙을 위해 어떤 개발이 진행되고 있는가?	무인항공기는 대부분 수직 이·착륙이 어려워 상용화에 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 공간에 제약 없이 수직으로 이·착륙이 가능한 항공기 들이 많이 개발 되고있다.
	무인항공기의 형태는 어떻게 나누어지는가?	무인항공기의 형태로는 크게 고정익 항공기, 회전익 항공기 2 가지 형태로 크게 나누어 진다. 고정익 항공기는 일반적인 비행기 형태의 항공기의 형태이며, 회전익 항공기는 헬리콥터 같은 형태의 항공기이다.
	회전익 항공기의 종류에는 어떤 것들이 있는가?	본 논문에서는 수직 이·착륙이 가능한 회전익항공기를 다루고자 한다. 회전익 항공기의 종류에는 일반적인 헬리콥터 형태의 단일 로터식 헬리콥터, 두 개의 로터가 같은 축에 붙어 있는 형태인 동축 반전 로터식 헬리콥터가 있다. 현대의 무인항공기는 수직 이·착륙이 가능하며, 소형화, 기동성, 경제성, 안정성, 그리고 청정성 등이 중요시 되면서 멀티콥터 형태의 무인항공기의 개발이 활발히 이루어 지고 있으며, 현재 많은 기업에서 쿼드콥터 형태의 무인항공기들을 내놓고 있다.

참고문헌 (12)

Aleksandrov, D. and Penkov, I., 2013, "Optimization of Lift Force of Mini Quadrotor Helicopter by Changing of Gap Size Between Rotors," Solid State Phenomena, Vol.198, pp.226-231

상세보기
Thipuopas, C., 2010, "Survey of Micro air Vehicles in an International Even & Utilization in Thailand," The First TSME International Conference on Mechanical Engineering.
Yun, J. H., Ko, J. C. and Lee, J., 2012, "Aerodynamic Performance Analysis of Fan-Bladed Rotors in Tandem Arrangement," The Korean Society of Mechanical Engineers Spring Annual Meeting, pp.331-334.
ADINA System 8.8 Release Notes, 2012, ADINA R&D, Inc.
Punds, P., Mahony, R., Corke, P., 2010, "Modelling and Control of a Large Quadrotor Robot," Control Engineering Practice, Vol.18, No.7, pp. 691-699.

상세보기
Kovalovs, A., Barkanov, E. and Gluhihs, S., 2007, "Numerical Optimization of Helicopter Rotor Blade Design for Active Twist Control," Taylor & Francis, Vol. 11, Issue. 3, pp. 3-9.
Kim, T. H., An, S. J., Jo, Y, D., Moon, K.M., Bae, B. Y. and Yang, D, H., 2009, "A Study on the Composite Blade Performance Variation by Attaching Erosion Shield for Hovercraft," Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 33, No. 7, pp. 1017-1025.

원문보기 상세보기
Steijl, R. and Barakos, G., 2007, "CFD Analysis of Rotor-Fuselage Interactional Aerodynamics," 45th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, p. 1278.
Kim, C. S., Kim, C. A. and Rho, O. H., 1999, "Incompressible/Compressible Flow Analysis over High-Lift Airfoils Using Two-Equation Turbulence Models," Korean Society for Computational Fluids Engineering, Vol. 4, No. 1.
Pounds, P., Mahony, R., Gresham, J., Corke, P. and Roberts, J., 2004, "Towards Dynamically-Favourable Quad-Rotor Aerial Robots," In Proceedings of the 2004 Australasian Conference on Robotics & Automation. Australian Robotics & utomation Association.
Naidoo, Y., Stopforth, R. and Bright, G., 2004, "Quad-Rotor Unmanned Aerial Vehicle Helicopter Modelling & Control," International Journal of Advanced Robotic System, Vol. 8, No. 4, pp. 139-149.
Abbott, I. H. and Von Doenhoff, A.E., 1959, Theory of Wing Sections: Including a Summary of Airfoil Data, Dover Publications.

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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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