[논문]다중익형 공력 계산을 위한 특화 격자생성 프로그램 개발

남도우; 이영준; 이종윤; 김병수

doi:10.6112/kscfe.2016.21.4.085

[국내논문] 다중익형 공력 계산을 위한 특화 격자생성 프로그램 개발
DEVELOPMENT OF SPECIALIZED GRID GENERATION PROGRAM FOR MULTI-ELEMENT AIRFOIL AERODYNAMIC ANALYSIS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.21 no.4 = no.75, 2016년, pp.85 - 89

남도우 (충남대학교 항공우주공학과) , 이영준 (충남대학교 항공우주공학과) , 이종윤 (충남대학교 항공우주공학과) , 김병수 (충남대학교 항공우주공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Wing is the most important part of aircraft which produces lift. In general when aircraft takes off or lands, high lift is required and additional devices are adopted in front and aft-side of wing, which constitute so-called multi element airfoils. The objective of this research is to develop a specialized grid generation program to help engineers in reducing human labor and eliminating time-consuming process for mesh regeneration by deforming the initially-given grid system with efficient deforming method. This paper describes briefly about the mesh deformation methods, and provides some results to verify the quality of deformed mesh and eventually correctness of current approach.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

대표적인 다중익형 형상의 예로는 추가적인 익형을 앞전에 장착한 슬랫(slat)과 뒷전에 장착한 플랩(flap) 등이 존재 한다. 본 연구에서는 슬랫과 플랩 등을 포함한 다중익형의 효율적인 공력 계산과 이를 통한 공력 특성 비교 연구에 쉽게 활용할 수 있도록 격자 변형 기능을 구현한 특화 전처리 프로그램을 개발하였다.

제안 방법

본 연구에서는 비교적 효율적인 공력 계산을 위하여 슬랫과 플랩 등을 포함한 다중익형의 격자 변형 기능을 구현한 특화 전처리 프로세서를 개발하는 연구로서 Delaunay triangulation, Barycentric interpolation 및 Transfinite interpolation(TFI) 기법을 활용하여 다중익형의 위치 변화에 따른 격자 변형을 지원하는 특화 격자 생성 프로그램을 JAVA를 이용하여 개발하였다. 본 연구에서 확보하고 참고한 기존 연구 자료가 풍동을 이용한 실험 결과만 있고, 적절히 활용할 수 있는 대응되는 수치계산 결과는 확보하지 못하였다.

대상 데이터

기본 격자는 슬랫과 플랩의 분리 전 익형 chord 길이로부터 코드 길이 약 25배의 외부 경계 범위를 갖도록 격자를 생성하였으며 c-type 격자로 제작하였다. 초기 다중익형의 배치및 그에 따른 기본 격자는 Fig.
본 연구를 통해 개발한 프로그램 eGDeform은 JAVA 언어로 개발된 인-하우스(in-house) 전처리 프로그램으로 앞서 언급한 바와 같이 기본 격자를 생성하고 다중 익형의 배치변화 변수, x축 이동, y축 이동 및 회전에 따른 격자 변형을 3.1절에서 언급한 방법을 활용하여 진행할 수 있도록 개발하였다. Fig.
다중 익형의 경우 장착되는 위치에 따라 앞전에 장착되는것은 슬랫 그리고 뒷전에 장착되는 것은 플랩으로 정의된다.슬랫과 플랩의 형상은 다양한 방식으로 제작이 가능하나 그중 본 연구에서는 Lockheed-Georgia company와 NACA의 연구를 토대로 NACA 64a010을 기본 익형으로 사용하였다[1-2].연구에 사용된 슬랫과 플랩의 형상은 Fig.

데이터처리

유동 조건은 일반적인 항공기의 이, 착륙 조건을 참고하여Table 1과 같이 설정하였다. van Dam[4]에 따르면, 일반적으로낮은 마하수에서도 압축성 효과를 확인하기 위하여 압축성해석자의 활용을 언급하였으며 본 연구에서도 실제 자유류의경우 0.216의 마하수를 가지나 유동 계산 시 슬랫과 주익 사이 최대 마하수가 0.519가 측정됨으로서 상용 유동해석 프로그램, ANSYS Fluent의 density based 계산을 통하여 압축성 유동의 계산 신뢰도를 높이고자 하였다[3-4].

이론/모형

본 연구에서는 Delaunay 매핑 방법[7]과 대수형 내삽 기법[8] 두 가지를 혼용하여 격자변형을 프로그램에 구현하였다.그 방법을 간단히 설명하면, 고체 경계(슬랫/주익/플랩)의 움직임을 대수형 내삽기법을 이용해서 각 블록의 내부 격자계에 내삽을 하게 되는데, 이를 다중블록 정렬 격자에 적용하기위해서는 각 블록별 경계에서의 격자점 이동 정보가 미리 정해져 있어야 한다. 즉, 고체 벽면에 접해있는 블록 경계의 경우는 그 값이 바로 결정이 되지만 계산 영역의 실제 경계(고체 벽면이나 원방 경계)가 아니라 유동장 내부에 놓인 블록경계에는 그 값이 우선 전달 되어야한다.

성능/효과

따라서 실험 보고서에 근거한 재현 과정에서 발생할 수 있는 여러 방해 요소로 인해 다소 오차를 보이는 데이터를 확보하는 것에 그쳤다. 슬랫과 플랩의 형상은 주 익형인 NACA 64A010의 앞전 부분을 특정 좌표에 따라 잘라내는 방식으로 생성 하였고 이는 기존 연구에서는 수작업에 의해 제작된 것이기에 형상 오차가 존재할 수 있으며 이는 공력 결과에도 영향을 끼쳤을 것으로 분석된다.
참고 논문[1]에서의 슬랫과 플랩 형상에 대한 부정확한 정보제공과 각 요소의 배치 정보 부재에 따른 격자 검증의 이슈가 있으나 본 연구에서는 개발된 전처리기를 통해 변형된 격자와 동일 형상을 수작업으로 제작한 격자를 활용하여 격자 검증을 수행한 결과 본 특화 격자생성 프로그램을 통해 변형한 격자는 신뢰할 수 있는 것으로 확인되었다.

후속연구

본 연구에서 확보하고 참고한 기존 연구 자료가 풍동을 이용한 실험 결과만 있고, 적절히 활용할 수 있는 대응되는 수치계산 결과는 확보하지 못하였다. 따라서 실험 보고서에 근거한 재현 과정에서 발생할 수 있는 여러 방해 요소로 인해 다소 오차를 보이는 데이터를 확보하는 것에 그쳤다. 슬랫과 플랩의 형상은 주 익형인 NACA 64A010의 앞전 부분을 특정 좌표에 따라 잘라내는 방식으로 생성 하였고 이는 기존 연구에서는 수작업에 의해 제작된 것이기에 형상 오차가 존재할 수 있으며 이는 공력 결과에도 영향을 끼쳤을 것으로 분석된다.
이 프로그램의 개발을 통해 다중익형의 상대적 위치 변화에 따른 격자 재생성 등의 시간 소모적 과정을 대체할 수 있으며 따라서 효율적인 격자계 생성 및 유동장 분석이 가능하게 될 것으로 기대한다. 또한 추후 이 프로그램을 활용하여 다중 익형의 상대적 위치에 따른 공력해석 연구 및 배치 최적화 및 공력 형상 최적 등의 연구에 활용할 수 있는 기반을 마련하게 되었다고 판단된다.
이 프로그램의 개발을 통해 다중익형의 상대적 위치 변화에 따른 격자 재생성 등의 시간 소모적 과정을 대체할 수 있으며 따라서 효율적인 격자계 생성 및 유동장 분석이 가능하게 될 것으로 기대한다. 또한 추후 이 프로그램을 활용하여 다중 익형의 상대적 위치에 따른 공력해석 연구 및 배치 최적화 및 공력 형상 최적 등의 연구에 활용할 수 있는 기반을 마련하게 되었다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기 설계 시 익형의 선택은 무엇을 좌우하는가	항공기 설계 시 익형의 선택은 항공기의 비행 성능을 좌우하는 중요한 부분이다. 최초의 유인 항공기가 개발 된 이후부터 현재까지 다양한 형태의 날개 형상이 제작되었으며 풍동 실험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 그 성능이 입증되어 왔다.
	익형의 형상 변화의 한계점을 넘기 위해 개발된 기술들은?	이에 기존의 날개 형태에 와류발생기(vortex generator), 익단소익(winglet) 등의 다양한 고양력 장치를 장착하여 날개의 공기역학적 성능을 높이는 기술이 개발되었다. 본 연구에 언급된 다중익형은 이러한 고양력 장치의 하나로 기존의 단일익형에 추가적인 익형을 장착한 형태의 날개를 일컫는 것이다.
	다중 익형의 경우 장착되는 위치에 따라 어떻게 정의되는가	다중 익형의 경우 장착되는 위치에 따라 앞전에 장착되는 것은 슬랫 그리고 뒷전에 장착되는 것은 플랩으로 정의된다. 슬랫과 플랩의 형상은 다양한 방식으로 제작이 가능하나 그 중 본 연구에서는 Lockheed-Georgia company와 NACA의 연구를 토대로 NACA 64a010을 기본 익형으로 사용하였다[1-2].

참고문헌 (9)

1983, Braden, J.A., Whipkey, R.R., Jones G.S. and Lilley, D.E., "Experimental study of the separating confluent boundary-layer volume II - Experimental data," LOCK HEED-GEORGIA COMPANY, NASA Contractor Report, 166018.
1954, Axelson, J.A. and Stevens, G.L., "Investigation of a slat in several different positions on an NACA 64A010 airfoil for a wide range of subsonic Mach numbers," NACA TN, 3129.
ANSYS Fluent, http://www.ansys.com/
2002, van Dam, C.P., "The aerodynamic design of multi-element high-lift systems for transport airplanes," Progress in Aerospace Sciences, Vol.38, pp.101-104.
1990, Batina, J.T., "Unsteady Euler Airfoil Solutions Using Unstructured Dynamic Meshes," AIAA Journal, Vol.28, No.8.

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1998, Farhat, C., Degand, C., Koobus, B. and Lesoinne, M., "An Improved Method of Spring Analogy for Dynamic Unstructured Fluid Meshes," AIAA Paper 1998-2070.
2006, Liu, X., Qin, N. and Xia, H., "Fast dynamic grid deformation based on Delaunay graph mapping," Journal of Computational Physics, 211, 405-423.

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1982, Eriksson, L.E., "Generation of boundary-conforming grids around wing-body configurations using transfinite interpolation," AIAA Journal, Vol.20, No.10.

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2008, Skala, V., "Barycentric coordinates computation in homogeneous coordinates," Computer & Graphics, Vol.32, Issue 1, pp.120-127.

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