[논문]NACA 0021 익형 유동장의 수치해석적 연구

김상덕

doi:10.12985/ksaa.2016.24.4.020

NACA 0021 익형 유동장의 수치해석적 연구
A Numerical Study on the Flowfield around a NACA 0021 Airfoil at Angles of Attack 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.24 no.4, 2016년, pp.20 - 25

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A primary benefit of flight at high angle-of-attack conditions is to be able to reduce the speed of flight and maneuvers, which can enhance the capability of sensing and obstacle avoidance for a small UAV. The flight at high angle-of-attack conditions, however, is easy to be beyond stall which is characterized by substantial flow separation over an airfoil. Current numerical analysis was conducted on the capabilities of three representative turbulence models to predict the aerodynamic characteristics of a typical airfoil at angle-of-attack conditions. The investigation shows that these turbulence models provide good comparison with experimental data for attached flow at moderate angle-of-attack conditions. Calculation by current turbulence models are, however, not appropriate at high angle-of-attack conditions with flow separation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

날개 및 익형의 성능 예측 및 개선을 위해 흔히 수치해석적 방법이 사용되며, 이를 위해 복잡한 난류 유동(turbulent flow)을 해석할 수 있는 난류 모델(turbulence model) 및 방정식들이 개발되었다. 본 연구는 대표적 난류모델을 사용하여 복잡한 고영각 3차원 익형 유동장을 해석하였다. 이를 통하여 이러한 유동장을 보다 잘 이해하고, 항공기 비행특성을 보다 엄밀히 파악하여 항공기 운항에 도움이 되리라 기대한다.

제안 방법

하지만 그보다 큰 받음각에서는 박리가 익형의 상류쪽에서 시작하게 되고, SST모델과 SA 모델은 익형 위에서 큰 회전 유동장을 예측하면서 실험보다 낮은 양력 밀 항력을 예측하였다. BSL k-ω 모델은 박리 영역을 작게 예측하며 상당히 높은 받음각에서도 실험보다 큰 양력을 예측하였다.
난류 경계층 유동의 정확한 해석을 위해 경계층 내에 충분한 격자를 배치하였으며, 벽면으로부터 첫 격자점이 y+≈1이 되도록 격자 위치를 초기 해석 결과로부터 수정하였다.
난류유동 해석에 흔히 사용되는 BSL k-ω 모델, SST 모델과 SA 모델로 다양한 받음각의 NACA 0021 익형유동을 해석하였다.
난류 경계층 유동의 정확한 해석을 위해 경계층 내에 충분한 격자를 배치하였으며, 벽면으로부터 첫 격자점이 y+≈1이 되도록 격자 위치를 초기 해석 결과로부터 수정하였다. 수치해석 결과가 격자수에 의존하지 않도록 격자수와 밀집정도 등을 수정하여 충분한 격자수와 모양을 갖도록 하였다. 최종 셀(cell) 수는 약 250만개이며, 격자 형성을 용이하게 하고 계산의 정확성을 위해 정렬 및 비정렬 격자를 혼용하였다(Fig.
이것은 유동장 내의 난류 전단응력의 수송(transport of turbulent shear stress)을 고려하지 않은 것이 주요인이다. 이러한 문제를 해결하고자 난류점성 관계식에 제한자(limiter)를 둠으로서 적절한 난류전단응력의 수송 거동을 모사하게 되었다. 이렇게 발전된 SST 모델은 역압력 구배가 있는 유동, 익형 유동, 충격파가 있는 유동 등 다양한 유동장에서 신뢰성 있는 결과를 보여 주고 있다.
3차원 해석 영역(computational domain)의 바깥 경계(outer boundary)는 익형 길이의 최소 10배 이상이 되게 하였고, 날개 폭(S, span)은 익형길이의 40%가 되게 하였다. 전방의 유입 경계조건(inlet boundary condition)은 익형 길이를 기준한 Reynolds 수(Reynolds number)가 2.0 X 10⁶ 및 5.0 X 10⁶ 이 되도록 유입속도를 지정하였다. 난류 경계층 유동의 정확한 해석을 위해 경계층 내에 충분한 격자를 배치하였으며, 벽면으로부터 첫 격자점이 y+≈1이 되도록 격자 위치를 초기 해석 결과로부터 수정하였다.
임계 받음각 16° 보다 낮은 익형 유동의 양력 및 항력은 세 난류모델 모두 잘 예측하였다. 하지만 그보다 큰 받음각에서는 박리가 익형의 상류쪽에서 시작하게 되고, SST모델과 SA 모델은 익형 위에서 큰 회전 유동장을 예측하면서 실험보다 낮은 양력 밀 항력을 예측하였다. BSL k-ω 모델은 박리 영역을 작게 예측하며 상당히 높은 받음각에서도 실험보다 큰 양력을 예측하였다.

대상 데이터

앞에서 언급한 것과 같이 복잡한 난류 유동장해석을 위해 다양한 난류모델이 개발되어 왔다. 난류모델을 구성하기 위해 사용되는 기초 자료는 박리가 없는 유동의 실험 자료들이다. 그래서 고양각의 익형 유동과 같이 역압력 구배 및 유동박리가 있는 유동장에서 난류 모델의 성능을 예단하기 어렵다.
수치해석 결과가 격자수에 의존하지 않도록 격자수와 밀집정도 등을 수정하여 충분한 격자수와 모양을 갖도록 하였다. 최종 셀(cell) 수는 약 250만개이며, 격자 형성을 용이하게 하고 계산의 정확성을 위해 정렬 및 비정렬 격자를 혼용하였다(Fig. 2)

이론/모형

본 연구에서는 유동장 해석을 위해 FLUENT 범용 소프트웨어를 사용하였다[3]. FLUENT는 복잡한 유동, 열전달, 물질전달 및 화학반응 등을 해석할 수 있는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 프로그램으로 질량, 운동량, 에너지 그리고 화학종 보존 방정식 등을 사용한다.
본 연구에서는 일방정식(one-equation) 난류모델과 이방정식(two-equation) 난류 모델 중에서 유동 박리가 있는 다양한 난류 유동장 예측에 널리 사용되고 있는 SA 모델 (Spalart-Allmaras model), BSL k-ω 모델 (Baseline k-ω model) 및 SST 모델 (Shear-Stress Transport model)을 사용하였다[4-7].

성능/효과

0 X 10⁶ 인 앞선 경우와 실험 및 수치해석 결과의 경향이 유사하다. 두 유동해석 결과에서 세 난류 모델의 특징은 난류 모델 모두 박리가 발생하기 이전의 받음각에서는 실험과 좋은 일치를 보이지만 박리가 발생하는 고양각에서는 양력 및 항력이 실험과 상당한 차이를 보였다. 이러한 박리 및 실속 영역에서 BSL k-ω 모델은 양력을 크게 예측하고, SST모델과 SA 모델은 작은 양력을 예측하였다.
세 난류 모델의 양력은 받음각 12° 까지 선형적으로 비례하여 증가하며 실험 결과와 일치하였다.
이 모델은 기존 Wilcox의 k-ω 모델보다 강건하고 안정적이게 되었다.

후속연구

본 연구는 대표적 난류모델을 사용하여 복잡한 고영각 3차원 익형 유동장을 해석하였다. 이를 통하여 이러한 유동장을 보다 잘 이해하고, 항공기 비행특성을 보다 엄밀히 파악하여 항공기 운항에 도움이 되리라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고영각 익형 유동장의 특징은?	고영각 익형 유동장은 익형 표면 위의 경계층 유동뿐만 아니라 유동박리에 의해 익형 표면에서 멀리 떨어져 회전유동(vortex flow)가 발달하게 된다. 이 회전유동의 발달은 익형 표면의 압력 분포 및 양력과 항력에 상당한 영향을 주게 된다.
	강도(strength) 및 피로저항(fatigue resistance)을 결정하는 주요 요인은 무엇인가?	항공기 성능을 평가하는데 있어 날개(wing) 및 로터(rotor)의 공기역학적 성능(aerodynamic performance)을 정확히 예측하는 것은 매우 중요한 문제이다. 또한, 이것은 주요 부품이 설계 수명(design lifetime)을 넘어 동작하기 위해 요구되는 강도(strength) 및 피로저항(fatigue resistance)을 결정하는 주요 요인이 된다.
	회전유동의 발달은 어떤 영향을 주는가?	고영각 익형 유동장은 익형 표면 위의 경계층 유동뿐만 아니라 유동박리에 의해 익형 표면에서 멀리 떨어져 회전유동(vortex flow)가 발달하게 된다. 이 회전유동의 발달은 익형 표면의 압력 분포 및 양력과 항력에 상당한 영향을 주게 된다. 이러한 유동은 점성 유동(viscous flow)과 비점성 유동(inviscid flow)의 강한 상호 작용에 의해 복잡한 비정상 유동장을 형성한다.

참고문헌 (8)

Abbott, I. H. and Doenhoff, A. E., Theory of Wing Sections, DOVER PUBLICATIONS, INC. NEWYORK, 1959
Wolfe, W. P. and Ochs, S. S., "Predicting Aerodynamic Characteristics of Typical Wind Turbine Airfoils using CFD", SANDIA REPORT, Sandia National Laboratories, Sep. 1992.
Kim, S. D., "A Numerical Study on the Flowfield of a Cyclone Separator for Oil Droplets", KSAA Journal, 23(4), 2015, pp. 38-43.
Spalart, P. and Allmaras, S., "A one-equation turbulence model for aerodynamic flows", Technical Report AIAA-92-0439, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1992.
Menter, F. R., "Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications", AIAA Journal, 32(8), pp. 1598-1605, August 1994.

상세보기
Menter, F. R., Kuntz, M. and Langtry. R., "Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model" Turbulence, Heat and Mass Transfer, 4. Begell House Inc. pp. 625-632. 2003.
Menter, F. R., "Review of the SST Turbulence Model Experience from an Industrial Perspective". International Journal of Computational Fluid Dynamics. Volume 23, Issue 4. 2009.
Sheidahl, R. E. and Klimas, P. C., "Aerodynamic Characteristics of Seven Symmetric Airfoil Sections Through 180-Degree Angle of Attack", SANDBO-2114, Sandia National Laboratories, pp. 60-62, 1981.

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