[논문]정지 및 저속 하강 비행하는 헬리콥터 로터의 소음 해석 및 검증

유영현; 정성남

doi:10.5139/jksas.2015.43.6.516

정지 및 저속 하강 비행하는 헬리콥터 로터의 소음 해석 및 검증
Validation of Rotor Aeroacoustic Noise in Hovering and Low Speed Descent Flight 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.6, 2015년, pp.516 - 525

유영현 (Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University) , 정성남 (Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 정지 비행과 저속 하강 비행하는 회전익기 로터에 대한 소음을 예측하고 실험값과 비교하여 검증하였다. Ffowcs Williams-Hawkings 방정식을 이용한 소음압 예측 프로그램을 개발하였다. 해석 결과의 검증을 위해서 2가지 풍동 시험 결과를 이용하였다. Boeing 360 모델 로터를 이용하여 정지 비행 조건에서의 저차 주파수 대역의 소음압을 검증하였고, HART II 로터를 이용하여 저속 하강 비행 조건의 중간 주파수 대역의 BVI 소음을 검증하였다. 하중 소음을 예측하기 위해서 정지비행 조건에서는 자유후류기법을 통한 공력계수를 이용하였고, 저속 하강 비행 조건에서는 CFD/CSD 연계해석 결과를 이용하였다. 소음해석 결과 저차 주파수 대역의 소음압과 중간 주파수 대역의 BVI 소음압을 비교적 잘 예측하는 것을 확인하였다. BVI 소음압은 FFT 해석을 통하여 소음 방사 지도를 그려 실험결과와 비교하였다. 비교 결과 시험결과와 비교적 유사하게 예측하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the acoustic pressure of a helicopter rotor in hovering and low speed descent flight is predicted and compared with experimental data. Ffowcs Williams-Hawkings equation is used to predict the acoustic pressure. Two different wind tunnel test data are used to validate the predicted results. Boeing 360 model rotor test results are used for the low-frequency noise in hover, and HART II test results are employed for the mid-frequency noise, especially BVI noise, in low speed descent flight. A simple free-wake model as well as the state-of-the-art CFD/CSD coupling method are adopted to perform the analysis. Numerical results show good agreement against the measured data for both low-frequency and mid-frequency harmonic noise signal. The noise carpet results predicted using the FFT(Fast Fourier Transform) shows also reasonable correlation with the measured data.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구진에서는 CFD/CSD 연성 연계 기법 (loose coupling scheme)을 이용한 HART II 시험 검증 연구를 수행하여 동일한 기법을 이용한다른 연구 결과들과 비교하여 우수한 계산 결과를 보여준 바 있다[12]. 따라서 개선된 공력 하중을 이용할 경우 보다 정확한 소음 해석이 가능할 것으로 예상되며 이를 보이기 위해 본 논문에서는 소음 해석 코드를 개발하고, CFD/CSD 연성 연계 기법을 적용하여 구한 공력하중을 이용하여 BVI 소음을 예측하고 이를 실험 결과와 비교 검증하는 것을 목표로 한다. 소음해석을 위해서 Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) 방정식[13]에 기반한 수치 해석 프로그램을 개발하고, HART II 실험 결과[14]와 비교하여 정확도를 검증한다.

가설 설정

는 블레이드 표면의 수직방향 속도 성분을 나타내고, 대괄호의 하첨자 τ는 지연 시간을 고려한 계산을 의미한다. 공기밀도가 일정하다고 가정할 때, 로터의 두께소음은 블레이드의 형상(v_n 에 지배적인 영향을 받음을 알 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 회전익기 로터에서 발생하는 소음을 예측하기 위하여 FW-H 방정식 기반의 해석 코드를 개발하고 실험 결과와 비교하였다. 검증을 위해서 Boeing 360 축소로터를 이용하여 정지 비행 조건에서 저차 주파수 대역의 소음압을 비교하였고, 최신의 CFD/CSD 연계 기법을 통해 구한 HART II 로터의 공력하중을 이용하여 저속 하강 비행 조건에서 중간 주파수 대역인 BVI 소음압을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한 소음 해석 코드의 저차 주파수 대역의 소음 신호 검증을 위해서 아직 국내에서 발표된바 없는 Boeing 360 축소 로터 시험[15, 16]을 이용하여 정지 비행 시의 저차 주파수 대역의 소음 해석 결과를 검증한다.
소음 측정을 위해서 총 26개의 마이크가 장착되었다. 본 논문에서는 로터 직경의 4.6배만큼 떨어진 지점에서 측정된 소음을 이용하여 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 회전익기 로터에서 발생하는 소음을 예측하기 위하여 FW-H 방정식 기반의 해석 코드를 개발하고 실험 결과와 비교하였다. 검증을 위해서 Boeing 360 축소로터를 이용하여 정지 비행 조건에서 저차 주파수 대역의 소음압을 비교하였고, 최신의 CFD/CSD 연계 기법을 통해 구한 HART II 로터의 공력하중을 이용하여 저속 하강 비행 조건에서 중간 주파수 대역인 BVI 소음압을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 개선된 공력 하중을 이용할 경우 보다 정확한 소음 해석이 가능할 것으로 예상되며 이를 보이기 위해 본 논문에서는 소음 해석 코드를 개발하고, CFD/CSD 연성 연계 기법을 적용하여 구한 공력하중을 이용하여 BVI 소음을 예측하고 이를 실험 결과와 비교 검증하는 것을 목표로 한다. 소음해석을 위해서 Ffowcs Williams-Hawkings (FW-H) 방정식[13]에 기반한 수치 해석 프로그램을 개발하고, HART II 실험 결과[14]와 비교하여 정확도를 검증한다.
BVI 소음은 보통 전체 소음 신호의 6~40 BPF (blade passage frequency) 대역의 주파수로 구성된다. 정확한 BVI 소음의 비교를 위하여 모든 관측점의 소음압을 FFT를 수행하여 6~40 BPF 주파수 대역의 소음압수준(BVISPL)을 구하고 BVI 소음 방사 지도를 그려 BVI 소음의 dB 수준 분포와 소음의 방향성을 살펴보았다. Fig.

대상 데이터

Boeing 360 축소 로터 시험은 1986년 네덜란드의 DNW 무반향 풍동 시험실에서 미육군 연구소와 보잉사가 함께 수행하였다[15].
HART(Higher-harmonic Aeroacoustic Rotor Test) II 실험은 BVI 현상에 대한 물리적 이해를 위해 2001년 실시된 국제 공동 연구 프로그램이다[14]. HART II 실험은 BO-105 무힌지 로터의 40% Mach scaled 축소 로터를 이용하여 DNW 풍동에서 수행되었다. 이 시험에서는 여러 비행 조건에 대한 실험이 수행되었는데, 본 연구에서는 기준 조건인 전진비 0.

데이터처리

Boeing 360 축소 로터를 이용하여 정지 비행 시의 로터 소음을 계산하고 실험결과와 비교하였다. Boeing 360 축소 로터에 대한 공력하중은 Schmitz 등[16]의 연구에서 자유후류 기법을 이용하여 구한 공력하중 계수를 이용하였다.
HART II 로터를 이용하여 저속 하강 비행시의 BVI 소음을 계산하고 실험 결과와 비교하였다. 하중 소음을 계산하기 위한 공력하중은 CFD/CSD 연계 해석[19]을 통해 구한 결과를 이용하였고, CFD 해석을 이용한 결과[20]를 이용하여 상호 비교하였다.
측정 후에는 고속 푸리에 변환(FFT)을 통해 소음압수준(SPL, sound pressure level)으로 변환하고 소음 방사 지도를 그려 소음의 방향성을 확인하였다. 본 논문에서도 동일한 관측점에 대한 소음압을 계산하고 FFT를 통해 소음 방사 지도를 그려 시험결과와 비교하였다. Fig.
HART II 실험은 BO-105 무힌지 로터의 40% Mach scaled 축소 로터를 이용하여 DNW 풍동에서 수행되었다. 이 시험에서는 여러 비행 조건에 대한 실험이 수행되었는데, 본 연구에서는 기준 조건인 전진비 0.15를 갖고 6.5도로 하강 하는 비행 조건에 대한 실험 결과와 비교하였다. Fig.
HART II 로터를 이용하여 저속 하강 비행시의 BVI 소음을 계산하고 실험 결과와 비교하였다. 하중 소음을 계산하기 위한 공력하중은 CFD/CSD 연계 해석[19]을 통해 구한 결과를 이용하였고, CFD 해석을 이용한 결과[20]를 이용하여 상호 비교하였다. CFD 해석은 측정된 블레이드의 변형 데이터를 이용하여 블레이드의 탄성 효과를 고려한 것이다.

이론/모형

Boeing 360 축소 로터를 이용하여 정지 비행 시의 로터 소음을 계산하고 실험결과와 비교하였다. Boeing 360 축소 로터에 대한 공력하중은 Schmitz 등[16]의 연구에서 자유후류 기법을 이용하여 구한 공력하중 계수를 이용하였다.
Boeing 360 축소 로터의 풍동 시험에서는 다양한 비행 조건에 대한 소음 측정을 수행하였지만, 시험 결과 확보의 어려움으로 본 연구에서는 Schmitz 등[16]의 연구에서 보인 정지 비행 조건에 대한 시험 결과를 이용하였다.
본 논문에서 공력소음을 구하기 위해 Schmitz 등이 제시한 수치해석 기법[18]을 참고하였다. 해당 문헌은 고속 비행 시의 충격 소음 해석에 대해서 다루고 있지만 충격소음을 제외한 두께소음과 하중소음은 일반적인 소음해석에도 이용할 수있기 때문에 본 연구의 소음 해석에 반영하였다.
7은 CFD/CSD 연성 연계 기법의 흐름도를 나타낸다. 본 연구에서는 CFD 해석을 위하여 KFLOW를 이용하였고, CSD 해석을 위하여 CAMRAD II를 이용하였다. 본 논문에서는 소음 해석 검증에 초점을 맞추고 있으며, CFD 해석이나 CFD/CSD 연계 해석에 대한 자세한 내용은 참고문헌[19, 20]에서 확인할 수 있다.
본 연구에서는 소음해석을 위해서 FW-H 방정식을 이용하였다[13]. FW-H 방정식은 소음원에 따라 충격소음, 하중소음, 두께소음으로 구분할수 있다.

성능/효과

1) Boeing 360 축소 로터에 대한 소음 해석 결과 정지 비행시의 저차 주파수의 소음압 신호를 실험값과 비교하여 진폭과 위상각을 비교적 잘 예측하였다.
2) HART II 로터에 대한 소음 해석 결과에서 BVI 신호의 peak-to-peak은 실험값보다 낮게 예측하였다. 이는 측정시에는 로터 공력하중에 의한 소음뿐만 아니라 주변 환경에 의한 소음이 측정되지만 해석에서는 공력하중에 의한 소음만 계산하였기 때문이다.
3) 소음 방사 지도를 작성한 결과 최대 BVI 소음이 발생하는 위치를 실험 결과와 거의 유사 하게 예측하였다. 기존의 연구 결과와 비교를 통하여 공력 하중의 BVI 신호를 잘 예측함으로써 소음 지도 계산 결과가 개선되는 것을 확인하였다.
3) 소음 방사 지도를 작성한 결과 최대 BVI 소음이 발생하는 위치를 실험 결과와 거의 유사 하게 예측하였다. 기존의 연구 결과와 비교를 통하여 공력 하중의 BVI 신호를 잘 예측함으로써 소음 지도 계산 결과가 개선되는 것을 확인하였다.
이는 측정시에는 로터 공력하중에 의한 소음뿐만 아니라 주변 환경에 의한 소음이 측정되지만 해석에서는 공력하중에 의한 소음만 계산하였기 때문이다. 전반적인 BVI 신호의 특성이나 위상은 측정 신호와 비교하여 잘 예측하였다.

후속연구

본 연구에서 개발한 소음 해석 코드를 이용하여 향후 공력하중 해석 기법이 소음해석 결과에 미치는 영향에 대한 연구를 수행할 예정이며, 소음 억제 기법 연구에도 활용이 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	회전익기의 장점은?	회전익기는 수직 이착륙 및 제자리 비행이 가능하여 도심 지역에서의 운행이 가능한 장점이 있다. 하지만 회전익기의 독특한 작동원리로 인하여 로터 시스템에서는 복잡한 공력 특성이 나타나고 이로 인한 공력소음이 크게 발생하는 문제가 있다.
	회전익기에서 발생하는 문제는 무엇인가?	회전익기는 수직 이착륙 및 제자리 비행이 가능하여 도심 지역에서의 운행이 가능한 장점이 있다. 하지만 회전익기의 독특한 작동원리로 인하여 로터 시스템에서는 복잡한 공력 특성이 나타나고 이로 인한 공력소음이 크게 발생하는 문제가 있다. 회전익기의 과도한 소음은 객실 내에 소음 차폐를 위한 추가적인 비용을 요구하거나, 군사적으로 피탐지성을 증가시켜 생존성에 영향을 미치는 등의 문제점을 가져온다.
	회전익기의 소음 문제를 해결하기 위한 노력에는 어떤 것이 있는가?	이러한 회전익기의 소음 문제를 해결하기 위한 노력이 오랜 시간 동안 지속되어져 왔다. 블레이드 끝단의 형상을 변화시켜 블레이드-와류 간섭 소음을 저감시키는 등의 수동적인 방법[1]과 미리 설치한 작동기에 특정 입력 신호를 발생시켜 로터 블레이드에 작용하는 비정상 공기력 분포를 필요한 시점에 유익하게 분포시켜 소음을 감소시키는 능동적인 방법[1~3] 등 다양한 방법이 제시되고 있고 현재도 활발하게 연구되고 있다.

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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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