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문제 정의
- 선행 연구[8]에 따르면 낮은 마하수 조건에서 원형 실린더 후방에 분할판을 적용하여 실린더 표면에서 발생하는 항력과 앙력의 시간에 대한 변화량인 항력 이극자와 앙력 이극자의 변화 폭을 감소시킴으로써 원거리 소음을 감소시킬 수 있다. 본 연구에서는 탠덤 실린더 형상에서 전방 실린더의 후방에 분할판을 적용한 경우에 DES 와 FW-H 음향상사법을 결합한 전산공력소음해석을 통해 영향을 확인하고자 하였다. 분할판의 두께와 길이는 각각 0.
- 본 연구에서는 항공기 랜딩 기어 구조물을 모사한 탠덤 실린더 형상에 대해 DES 와 FW-H 음향상사법을 이용한 전산공력소음해석 결과를 기술하였다. 실린더 중심 간 거리 3.
제안 방법
- 7D 조건에 대한 해석을 수행하여 전방 실린더의 상/하부에서 생성된 와류가 특징적인 주파수를 갖고 후방 실린더의 특징 위치에 충돌하여 소멸되면서 이극자 형태의 소음원이 되는 것을 전/후방 실린더 표면의 압력과 원거리 소음을 계측한 선행 연구 결과와 비교해서 분석함으로써 확인하였다. DES와 FW-H 음향상사법을 이용한 전산공력소음해석 방법의 타당성을 확인한 후, 전방 실린더의 후방에 분할판을 적용한 조건에 대한 해석을 수행하였다. 전방 실린더의 후방에 분할판이 적용되면 전방 실린더의 상/하부에서 발생하는 와류의 특징이 변화하고 궁극적으로는 후방 실린더 표면에서의 이극자 소음원 크기가 감소되어 특정 주파수 대역에서 발생하는 소음 크기가 크게 낮아지는 것을 확인하였다.
- Implicit unsteady 시간 전진법을 사용하였으며 계산 시간간격은 acoustic CFL수가 1.0 이하가 되고 약 2~3 kHz 에 해당하는 관심 주파수 영역까지 결과를 산출할 수 있도록 1.25 × 10 -5 초로 설정하였다.
- 4에 표시된 격자 내부에 존재하지 않는다. 격자 작성 시 실린더 벽면에서의 유동 발달과 경계층 박리 특성의 정확한 예측을 위해 y+ 값이 1 이하가 되도록 경계층 격자의 조밀도를 설정하였고 FW-H 음향 상사법을 이용한 소음 전파 해석 시 압력과 속도 성분이 추출되는 인터페이스면 (FW-H Permeable Surface)은 탠덤 실린더 후류에서의 난류 유동 혼합 영역까지 충분히 포함하도록 구성하였다. z축 방향으로는 실린더 직경의 3배에 해당하는 영역을 설정하고 주기적(Periodic) 경계조건을 부가하였다.
- 탠덤 실린더 주위에서 발생하는 유동의 특징적인 현상과 원거리 소음 특성을 상세히 분석함으로써 전산유체해석과 음향상사법을 결합해서 수행한 해석 방법에 대한 타당성을 확인하였다. 또한 전산공력소음해석 방법의 타당성을 확인한 후에는 전방 실린더의 후방에 분할판을 적용한 경우의 해석을 수행하여 분할판의 효과에 대해 고찰하였다.
- 본 연구에서는 탠덤 실린더 형상에서 전방 실린더의 후방에 분할판을 적용한 경우에 DES 와 FW-H 음향상사법을 결합한 전산공력소음해석을 통해 영향을 확인하고자 하였다. 분할판의 두께와 길이는 각각 0.05D 와 1.0D 에 해당하며 유동 조건과 마이크로폰 위치는 분할판이 없는 경우와 동일하게 설정하여 결과를 비교하였다. Fig.
- 본 연구에서는 항공기 랜딩 기어 구조물을 모사한 탠덤 실린더 형상에 대해 DES 와 FW-H 음향상사법을 이용한 전산공력소음해석 결과를 기술하였다. 실린더 중심 간 거리 3.7D 조건에 대한 해석을 수행하여 전방 실린더의 상/하부에서 생성된 와류가 특징적인 주파수를 갖고 후방 실린더의 특징 위치에 충돌하여 소멸되면서 이극자 형태의 소음원이 되는 것을 전/후방 실린더 표면의 압력과 원거리 소음을 계측한 선행 연구 결과와 비교해서 분석함으로써 확인하였다. DES와 FW-H 음향상사법을 이용한 전산공력소음해석 방법의 타당성을 확인한 후, 전방 실린더의 후방에 분할판을 적용한 조건에 대한 해석을 수행하였다.
- 실린더 직경 기준의 레이 놀즈수는 1.66 × 10 5 이지만 boundary layer trip 을 적용하여 완전 발달된 난류 유동의 특징을 보이는 것으로 보고되어 있는 풍동 시험 조건에 대한 해석이므로 해석 시 유사 연구 결과[5]를 참고하여 roughness height가 0.05mm인 거친 벽면 조건을 부가하였다.
- 유동 특성에 대 해서는 전/후방 실린더의 0o 위치부터 45o 간격으로 표면 압력과 입자 영상 유속계(PIV, Particle Image Velocimetry)를 이용해서 x-y 평면에서의 유동 특성을 계측하였고 Fig. 3과 같이 마이크로폰을 배치해서 원거리 소음을 계측하였다.
- 이에 본 연구에서는 DES (Detached Eddy Simulation)[3]와 FW-H (Ffowcs Williams and Hawkings) 음향상사법[4]을 이용해 전산공력소 음해석을 수행하고 해석 결과를 NASA Langley Research Center 에서 BART(Basic Aerodynamics Research Tunnel)와 QFF(Quiet Flow Facility) 풍동을 활용해 수행한 유동 특성 및 소음 측정 결과[1,2]와 비교하였다. 탠덤 실린더 주위에서 발생하는 유동의 특징적인 현상과 원거리 소음 특성을 상세히 분석함으로써 전산유체해석과 음향상사법을 결합해서 수행한 해석 방법에 대한 타당성을 확인하였다.
- 이에 본 연구에서는 DES (Detached Eddy Simulation)[3]와 FW-H (Ffowcs Williams and Hawkings) 음향상사법[4]을 이용해 전산공력소 음해석을 수행하고 해석 결과를 NASA Langley Research Center 에서 BART(Basic Aerodynamics Research Tunnel)와 QFF(Quiet Flow Facility) 풍동을 활용해 수행한 유동 특성 및 소음 측정 결과[1,2]와 비교하였다. 탠덤 실린더 주위에서 발생하는 유동의 특징적인 현상과 원거리 소음 특성을 상세히 분석함으로써 전산유체해석과 음향상사법을 결합해서 수행한 해석 방법에 대한 타당성을 확인하였다. 또한 전산공력소음해석 방법의 타당성을 확인한 후에는 전방 실린더의 후방에 분할판을 적용한 경우의 해석을 수행하여 분할판의 효과에 대해 고찰하였다.
- 46mm)에 해당하는 시험 결과와 비교하였다. 탠덤 실린더에 대한 풍동 시험 시 완전 발달된 난류 유동 조건을 구현하기 위해 전/후방 실린더의 특정 각도 위치 (50o ~ 70o)에 boundary layer trip을 적용하였다.
- 격자의 최 외곽 경계에는 음파의 반사를 억제하도록 STARCCM+에서 제공하는 ASZ(Acoustic Suppression Zone) 모델을 적용하였다. 해당 모델은 경계에 입사되는 물리량을 상쇄하는 생성항을 연속, 운동량 및 에너지 방정식에 포함하는 것으로 해석 영역 내부에서 발생하는 소음원만이 인터페이스 면에 영향을 미치도록 모델 파라미터를 시행착오를 통해 설정하였다. Implicit unsteady 시간 전진법을 사용하였으며 계산 시간간격은 acoustic CFL수가 1.
대상 데이터
- 격자의 종류는 STAR-CCM+(Version 12.06)에서 제공하는 육면체 격자인 trimmer 격자를 활용하였고 격자수는 약 2천만 개이다. 격자의 최 외곽 경계에는 음파의 반사를 억제하도록 STARCCM+에서 제공하는 ASZ(Acoustic Suppression Zone) 모델을 적용하였다.
데이터처리
- 해석 결과와의 비교/분석에 활용한 마이크로폰 A~C의 위치는 Table 1과 같다. 본 연구의 해석에서는 마하수 0.128, 실린더 직경 57.15mm, 실린더 중심 간 거리는 실린더 직경의 3.7배(211.46mm)에 해당하는 시험 결과와 비교하였다. 탠덤 실린더에 대한 풍동 시험 시 완전 발달된 난류 유동 조건을 구현하기 위해 전/후방 실린더의 특정 각도 위치 (50o ~ 70o)에 boundary layer trip을 적용하였다.
이론/모형
- 06)에서 제공하는 육면체 격자인 trimmer 격자를 활용하였고 격자수는 약 2천만 개이다. 격자의 최 외곽 경계에는 음파의 반사를 억제하도록 STARCCM+에서 제공하는 ASZ(Acoustic Suppression Zone) 모델을 적용하였다. 해당 모델은 경계에 입사되는 물리량을 상쇄하는 생성항을 연속, 운동량 및 에너지 방정식에 포함하는 것으로 해석 영역 내부에서 발생하는 소음원만이 인터페이스 면에 영향을 미치도록 모델 파라미터를 시행착오를 통해 설정하였다.
- 난류 모델로는 STAR-CCM+에서 제공하는 SST(Shear Stress Transport) k-w DES 모델을 사용하였다.
- 유동 해석과 동시에 마이크로폰 A, B와 C 위치에서의 음압 스펙트럼 특성을 해석하도록 STAR-CCM+ 에서 제공하는 FW-H 모델을 적용하였다. 와류 방출 50주기에 해당하는 시간 이후에 FW-H 모델을 동작시켰으며 적절한 주파수 분해능을 갖도록 소음 해석 전체 계산 시간은 0.
성능/효과
- 4.1장에 기술한 내용과 같이 탠덤 실린더의 원거리 소음 예측을 위한 첫 단계로 DES 를 활용한 전산유체해석은 풍동 시험 결과를 잘 예측하며 FW-H 음향상사법을 통한 원거리 소음 예측에 활용되는 유동 변수들이 인터페이스 면에서 올바르게 산출된 것으로 판단하였다.
- 저주파 영역에서 발생하는 편차는 풍동 시험 시 흡음을 위해 설치된 흡음재의 성능이 저주파 영역에서 미흡했기 때문인 것으로 판단된다. 4.2장의 결과를 살펴볼 때, 전산 유체해석을 통해 올바른 소음원 분포와 특성을 예측할 수 있으면 소음 전파 중 감쇠, 반사나 회절 등을 고려하지 않아도 되는 경우에 FW-H 음향상사법을 원거리 소음 예측 시 유용하게 사용할 수 있음을 알 수 있다.
- Lighthill[6]의 이론에 근거하고 움직이는 임의의 표면에 대해 확장된 FW-H 음향상사법에 따르면 단극자(Monopole), 이극자(Dipole) 및 사극자(Quadrupole) 소음원은 각각 두께, 하중 및 체적 소음항에 해당되고 자유공간에서의 Green 함수를 이용해서 적분식의 형태[7]로 표현할 수 있다. 본 연구에서와 같이 별도의 FW-H 인터페이스면을 구성하여 실린더 벽면에서의 소음원과 실린더 후류에서의 난류 유동 혼합 효과를 모두 포함하도록 설정한 경우는 FW-H 음향상사법의 각 소음항이 보유한 물리적인 의미와는 차이가 있는 값이 산출되지만 원거리 소음 예측 측면에서는 효율적인 방법이 될 수 있다.
- 21은 분할판 유무에 따라 대표적으로 마이크로폰 C 위치 소음의 파워 스펙트럼 밀도를 비교한 것으로 분할판이 적용된 경우도 여전히 100Hz 근처에서 최댓값을 보이기는 하지만 특정주파수 영역에서 발생했던 최대 소음 레벨이 크게 감소된 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서와같이 DES와 FW-H 음향상사법을 결합한 전산 공력소음해석을 통해 원거리 소음 크기를 저감할수 있는 방안을 실물 제작이나 시험 없이 검토할수 있음을 알 수 있다.
- 본 연구의 해석 과정에서도 Spalart-Allmaras DES 난류 모델을 사용하고 비정상상태 해석의 수렴성이 좋지 않은 계산 초기 구간에서만 잠시 시험 결과와 다른 모드가 나타난 것을 확인한 바있다. 본 연구에서의 탠덤 실린더 중심 간 거리나 레이놀즈수 조건은 유동 특성이 변동되는 천이 구간에 있는 것으로 판단되며 격자 구성, 난류 모델과 수치 모델 등에 따라 결과가 달라지는 것으로 판단된다.
- 5초 구간에 대해 비교한 것이다. 본 연구에서의 해석 결과에 따르면 전/후방 실린더의 평균항력계수는 각각 0.672와 0.465이다. 선행 연구[1]에 기술된 벤치마크 해석 결과의 연구자별 전/후방 실린더 평균항력계수 범위는 각각 0.
- 참고로 선행 연구[1]에는 전방 실린더의 후류 영역이 후방 실린더의 전방까지 이어져 전/후방 실린더가 하나의 물체처럼 보이는 일부 연구자들의 해석 결과도 제시하였다. 본 연구의 해석 과정에서도 Spalart-Allmaras DES 난류 모델을 사용하고 비정상상태 해석의 수렴성이 좋지 않은 계산 초기 구간에서만 잠시 시험 결과와 다른 모드가 나타난 것을 확인한 바있다. 본 연구에서의 탠덤 실린더 중심 간 거리나 레이놀즈수 조건은 유동 특성이 변동되는 천이 구간에 있는 것으로 판단되며 격자 구성, 난류 모델과 수치 모델 등에 따라 결과가 달라지는 것으로 판단된다.
- DES와 FW-H 음향상사법을 이용한 전산공력소음해석 방법의 타당성을 확인한 후, 전방 실린더의 후방에 분할판을 적용한 조건에 대한 해석을 수행하였다. 전방 실린더의 후방에 분할판이 적용되면 전방 실린더의 상/하부에서 발생하는 와류의 특징이 변화하고 궁극적으로는 후방 실린더 표면에서의 이극자 소음원 크기가 감소되어 특정 주파수 대역에서 발생하는 소음 크기가 크게 낮아지는 것을 확인하였다.
- Figure 7은 x-y 평면에 vorticity(z) 값을 실린더 직경과 자유류 유속으로 무차원화한 스트롤 수 동일 범위에 대해 전산해석결과와 PIV 결과를 비교한 것이다. 전산해석결과는 실린더 벽면 근처뿐만 아니라 LES (Large Eddy Simulation) 영역으로 전환되는 벽면에서 먼 영역에서도 격자 조밀도가 적절하여 PIV 측정 결과를 잘 모사하고 있는 것을 보여준다.
- 16~18 은 원거리 소음에 대해 FW-H 음향상사법을 적용해 산출한 파워 스펙트럼 밀도와 마이크로폰 별 측정값을 비교한 것으로 약 165~175 Hz 범위에서 최대 음압이 발생하고 해당 주기의 배수인 구간에서도 작은 값이지만 음압이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 탠덤 실린더로부터 각 마이크로폰까지의 거리 차이가 크지 않아서 최대 음압의 차이도 뚜렷하지는 않지만 B(95.7dB/Hz), A(94.1dB/Hz), C(92.9dB/Hz) 크기 순서로 계측된 시험 결과와 해석 결과(B: 92.6 dB/Hz, A: 92.2dB/Hz, C: 89.9dB/Hz)가 유사함을 확인할 수 있다. 저주파 영역에서 발생하는 편차는 풍동 시험 시 흡음을 위해 설치된 흡음재의 성능이 저주파 영역에서 미흡했기 때문인 것으로 판단된다.
- 후방 실린더에 대해서는 절댓값에 차이가 있고 유동 박리가 활발하게 발 생하는 각도 예측에 다소 차이를 보이지만 전반적으로 해석 결과는 전/후방 실린더의 유동 박리 발생하는 각도와 유동 박리 및 방출된 와류의 충돌에 의해 유동의 비정상상태가 심한 영역을 비교적 잘 예측하는 것을 확인할 수 있다.
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