[논문]S-Duct 입구 형상에 따른 유동 특성에 관한 연구

이지형; 최현민; 류민형; 조진수

doi:10.5139/jksas.2015.43.2.109

S-Duct 입구 형상에 따른 유동 특성에 관한 연구
A Study on Flow Characteristics of the Inlet Shape for the S-Duct 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.2, 2015년, pp.109 - 117

이지형 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 최현민 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 류민형 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 조진수 (School of Mechanical Engineering, Hanyang University)

초록
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덕트는 항공기의 내부엔진에 외부 공기를 흡입하기 위한 장치이다. 엔진 입구면의 레이더 반사량을 줄여 피탐지성을 감소시키기 위하여 S형태의 덕트를 가지게 되었다. S-Duct는 중심선의 곡률, 입구형상 등의 형상변수에 따라 엔진의 성능에 영향을 미친다. 본 연구에서는 RAE M 2129 S-Duct의 입구형상에 대하여 가로세로비의 변경에 따른 덕트 내부 유동에 대한 유동 특성을 알아보기 위해 전산해석을 수행하였다. S-Duct의 성능 평가 기준으로는 유동 왜곡계수를 사용하였다. 공력해석을 위해 상용해석 소프트웨어를 사용하였으며, 벽면에서의 역압력 구배의 영향으로 발생하는 유동박리와 2차 유동을 예측하기 위하여 $k-{\omega}SST$ 난류모델을 사용하였다. S-Duct의 Port side와 Starboard side 각각의 압력분포 값에 대하여 ARA의 실험값과 비교하여 본 연구에서 사용된 전산해석 기법의 타당성을 검증하였다. 해석 결과 모든 형상에 대하여 유동박리와 2차 유동이 발생하는 것을 확인하였다. 반원형 형태의 입구형상을 가지는 S-Duct가 뛰어난 성능을 보임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Aircraft needs an inlet duct to supply the airflow to engine face. A fighter aircraft that requires low radar observability has to hide the engine face in the fuselage to reduce the Radar Cross Section(RCS). Therefore, the flow path of the inlet duct is changed into S-shape. The performance of the aircraft engine is known to be influenced by the shape and the centerline curvature of the S-Duct. In this study, CFD analysis of the RAE M 2129 S-Duct has been performed to investigate the influence of aspect ratio of inlet geometry. The performance of the S-Duct is evaluated in terms of the distortion coefficient. To simulate the flow under adverse pressure gradient better, $k-{\omega}SST$ turbulence model is employed. The computational results are validated with the ARA experimental data. The secondary flow and the flow separation are observed for all computational cases, while the semi-circular geometry has been found to produce the best results.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

(3) S-Duct의 길이방향에 대하여 유동특성과 압력회복계수를 분석하였다. 모든 입구형상에 대해서 유동박리와 2차 유동이 발생하는 것을 확인하였다.
RAE M 2129 S-Duct 형상에 대한 전산해석기법을 검증하기 위하여 Port side와 Starboard side의 압력분포에 대하여 ARA의 실험값과 전산해석 값을 비교하였다. Fig.
S-Duct 내부 벽면에 대하여 역압력 구배를예측하기 위하여 y+ ≈1 이하의 격자로 구성하였다.
S-Duct의 성능 및 유동특성 연구를 위한 효율적인 전산해석을 수행하기 위하여 격자 의존성 테스트를 실시하였다. Fig.
S-Duct의 성능을 높이기 위하여 와류발생기를 이용한 유동제어와 형상 변경이 수행되었다. 그러나 S-Duct의 개발을 위해서는 비용 및 시간 등의 어려움으로 새로운 형상 설계 보다 와류발생기를 이용한 연구가 주로 이루어지고 있다.
식 (3)-(5)은 입구형상 변화에 대한 정의를 나타낸 식으로 타원형 방정식을 이용하여 입구형상을 구성하였다. 가로세로비는 원의 상부영역과 하부영역으로 나누어 적용하였으며 가로세로비의 범위는 0부터 1까지 0.5단위로 구성하였다.
원형의 입구형상에 대하여 가로세로비를 변경하였을 때, S-Duct의 유동 및 성능특성에 대하여 연구를 전산해석을 통해 수행하였다. 가로세로비에 따른 입구형상은 타원의 방정식을 적용하여 형성하였다.
기존 ARA(Aircraft Research Association)[16] 에서 제시한 RAE M 2129 S-Duct의 실험조건을 맞추기 위하여, 엔진 입구면의 직경을 특성 길이로 하여 레이놀즈수 값을 777,000으로 하였다. 덕트의 외부 유동장에 대하여 Riemann invariant 경게조건을 주었으며, 엔진 입구면에 대한 경계조건으로 정압조건을 주었다.
기존 ARA(Aircraft Research Association)[16] 에서 제시한 RAE M 2129 S-Duct의 실험조건을 맞추기 위하여, 엔진 입구면의 직경을 특성 길이로 하여 레이놀즈수 값을 777,000으로 하였다. 덕트의 외부 유동장에 대하여 Riemann invariant 경게조건을 주었으며, 엔진 입구면에 대한 경계조건으로 정압조건을 주었다. 덕트의 내부 벽면에 대해서는 점착조건(no-slip condition)을 주었다.
본 연구에서는 가로세로비에 따른 입구형상 변화에 대한 S-Duct의 성능 및 유동특성에 대하여 전산해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 내렸다.
본 연구에서는 입구형상에 대한 정확한 기준을 선정하여 입구형상을 형성하였다. 원형의 입구형상에 대하여 가로세로비를 변경하였을 때, S-Duct의 유동 및 성능특성에 대하여 연구를 전산해석을 통해 수행하였다.
유동 왜곡계수 값은 가장 일반적으로 S-Duct의 성능을 나타내는 엔진 입구면의 60도 영역(DC60)에 대하여 값을 구하였다. 대체적으로 반원형 형태의 입구 형상을 가지는 S-Duct가 성능이 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
자세한 경계조건은 Table 2에 나타내었으며, AGARD[17] “Test Case 3.2 (DP3537)”의 Low Mass Flow Rate(LMFR)조건을 적용하였다.

데이터처리

본 연구에서는 S-Duct 유동의 전산유체해석을 위하여 상용프로그램인 ANSYS CFX Ver. 14.5를 사용하였다. 지배방정식의 이산화는 2차의 정확도를 제공하는 High resolution scheme을 모든 항에 사용하였다.
본 연구에서는 입구형상에 대한 정확한 기준을 선정하여 입구형상을 형성하였다. 원형의 입구형상에 대하여 가로세로비를 변경하였을 때, S-Duct의 유동 및 성능특성에 대하여 연구를 전산해석을 통해 수행하였다. 가로세로비에 따른 입구형상은 타원의 방정식을 적용하여 형성하였다.

이론/모형

(1) RAE M 2129 S-Duct형상을 이용하여 전산해석 기법을 검증하였다. Starboard Side X/D2~3구간에서 실험값에 대하여 오차가 크게 발생하는 것을 볼 수 있었다.
S-Duct의 유동해석을 수행하기 위하여 3차원 압축성 RANS 모델을 사용하였으며, 난류모델은 Menter의 k- ω SST (Shear Stress Transform)를 사용하였다.
본 연구에서는 RAE M 2129 S-Duct를 사용하여 전산해석을 수행하였으며, 이는 GARTEUR(Group for Aeronautical Research and Technology in Europe)[13]에서 S-Duct의 Bullet의 유무와 정상 & 비정상해석을 통한 난류모델의 영향성을 분석한 연구에 사용된 모델이다.
5를 사용하였다. 지배방정식의 이산화는 2차의 정확도를 제공하는 High resolution scheme을 모든 항에 사용하였다.

성능/효과

(4) 엔진 입구면에 대하여 S-Duct의 성능을 나타내었다. 반원형 형태의 S-Duct가 엔진 입구면에서 균일한 유동을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
반원형 형태의 S-Duct가 높은 압력회복계수를 보이는 것을 확인할 수 있다. 가로의 비가 큰 반원형 S-Duct가 가장 뛰어난 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
반원형 형태의 S-Duct가 엔진 입구면에서 균일한 유동을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 가로의 비가 큰 반원형 S-Duct가 뛰어난 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
6은 격자의 수에 따른 전압력 회복량을 나타낸 것이다. 격자의존성을 평가한 결과 약 280만개 이상의 격자에서 전압력 회복량의 값이 크게 영향을 받지 않는 것을 확인하였으며, 본 연구를 수행하기에 적합하다 판단되어 약 280만개 격자를 선택하였다.
유동 왜곡계수 값은 가장 일반적으로 S-Duct의 성능을 나타내는 엔진 입구면의 60도 영역(DC60)에 대하여 값을 구하였다. 대체적으로 반원형 형태의 입구 형상을 가지는 S-Duct가 성능이 뛰어난 것을 확인할 수 있다. 가장 좋은 성능을 보이는 입구형상은 AR(0.
입구형상에 상관없이 모든 S-Duct는 곡률이 시작하는 부분에서 가장 속도가 빠르게 나타나는 것을 확인하였다. 또한 길이 방향에 대하여 면적이 증가함에 따라 속도가 감속되는 것을 확인할 수 있다.
(3) S-Duct의 길이방향에 대하여 유동특성과 압력회복계수를 분석하였다. 모든 입구형상에 대해서 유동박리와 2차 유동이 발생하는 것을 확인하였다. 곡률이 심한 구간을 지나면서 역압력 구배의 영향으로 발생한 것이다.
이는 가로세로비에 따라 수력직경이 작은 입구형상이 다른 입구형상에 비하여 Starboard side에서 유동이 빠르게 흐르는 것을 확인할 수 있었다. 반면 수력직경이 큰 입구형상 AR(1,1)이 가장 나쁜 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이와 비교하여 AR(0.
(4) 엔진 입구면에 대하여 S-Duct의 성능을 나타내었다. 반원형 형태의 S-Duct가 엔진 입구면에서 균일한 유동을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 가로의 비가 큰 반원형 S-Duct가 뛰어난 성능을 보이는 것을 확인할 수 있다.
ARA Computation과 CFD결과를 비교하였을 때 대략 2%이상 낮은 오차를 보인다. 본 연구에서는 RAE M 2129 S-Duct에 대한 전산해석기법이 타당함을 확인하였다.
Reichert 등[8]은 와류발생기의 배열을 이용하여 성능을 향상시키려고 하였다. 연구결과 유동 왜곡계수를 약 50%감소 시켰으며 전압력 회복량은 0.5%향상시켰다.
Figure 9는 S-Duct의 길이방향에 대하여 속도분포를 나타낸 것이다. 입구형상에 상관없이 모든 S-Duct는 곡률이 시작하는 부분에서 가장 속도가 빠르게 나타나는 것을 확인하였다. 또한 길이 방향에 대하여 면적이 증가함에 따라 속도가 감속되는 것을 확인할 수 있다.
Gopaliya 등[10]은 S-Duct의 입구와 출구의 높이차와 레이놀즈수에 따른 성능특성을 전산해석을 이용하여 수행하였다. 해석결과 레이놀즈수의 감소함에 따라 전압력 회복값이 감소하는 것을 확인하였으며 입출구간의 높이차가 증가함에 따라 압력회복이 감소함을 보였다.

후속연구

Kim. H. S등[19]은 특정에어포일에 대하여 Embedded Type 분산추진장치의 적용위치에 대하여 연구를 수행하였으며, 이를 바탕으로 항공기에 S-Duct를 적용함으로서 S-Duct의 유동 특성 및 성능에 대한 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	덕트의 설계를 위한 조건은 무엇인가?	S-Duct는 중심선의 곡률이 클 경우 역압력 구배가 발생하기 쉬우며, 이로 인하여 덕트 내부에서 유동박리 및 2차 유동 등의 발생으로 불균일한 유동이 엔진 입구면으로 유입되기 쉽다[3]. 덕트는 엔진이 요구하는 유량을 충분히 공급해주어야 하며, 항공기의 급격한 기동 시에도 안정적으로 유량이 공급될 수 있도록 설계되어야 한다. S-Duct의 성능판단 기준으로 전압력 회복량(Total Pressure Recovery, PR)과 유동 왜곡계수(Distortion Coefficient, DCΘ)를 사용하고 있다[4].
	S-Duct 중심선의 곡률이 클 경우 어떤 현상이 나타나는가?	S-Duct는 중심선의 곡률이 클 경우 역압력 구배가 발생하기 쉬우며, 이로 인하여 덕트 내부에서 유동박리 및 2차 유동 등의 발생으로 불균일한 유동이 엔진 입구면으로 유입되기 쉽다[3]. 덕트는 엔진이 요구하는 유량을 충분히 공급해주어야 하며, 항공기의 급격한 기동 시에도 안정적으로 유량이 공급될 수 있도록 설계되어야 한다.
	Embedded Type 추진시스템의 장점은 무엇인가?	F-16, F-18 등과 같은 전투기에 사용되는 Embedded Type의 추진시스템은 Podded Type의 추진 시스템에 비해 다양한 장점을 가진다. 엔진 마운팅을 위한 파일론이나 나셀 등의 부수적인 장치를 제거함으로서 전체 항공기의 무게와 형상 항력을 감소시킬 수 있다[1]. 동체 내부에 장착됨에 따라 레이더 단면적(Radar Cross Section, RCS)을 줄여 항공기의 생존성을 높일 수 있다. 엔진이 동체 외부 공기를 엔진에 공급하기 위해서는 공기 흡입계통으로 S 형태의 덕트를 사용하게 된다[2].

참고문헌 (19)

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상세보기
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C.F. Smith, J.E. Bruns, G.J. Harloff, J.R. DeBonis," Three-dimensional compressible turbulent computations for a diffusing S-Duct," NASA CR 4392, 1991.
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AGARD, "Air Intakes for high Speed Vehicles", AGARD ADVISORY 270, Fluid Dynamics Panel Working Group 13, 1991
NG YOW THYE ,"A Study of the Flow in an S-shaped Duct," Ph. D. thesis, Department of Mechanical Engineering, National University of Singapore, 2009
Kim. H. S, Choi H. M, and Cho J. S, "Aerodynamic Characteristics of the Blended-Wing-Body for the Position and Aspect Ratio of the Inlet and Outlet of an Embedded Distributed Propulsion System," J. of Korea Society for Aeronautical & Space Sciences,, Vol. 40, No.6, 2012.6, pp. 467-474.

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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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