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문제 정의
- 이를 기반으로 전진 비행하는 QTR에 대한 해석을 수행함으로써 각 구성요소에 의한 간섭효과를 개별적으로 분석하고 전·후방 로터 간의 위상차, 로터 회전 방향의 변화 등 다양한 운용조건에서의 성능 변화와 공기역학적 특징을 상세하게 분석하고자 하였다. 이를 통해 ASM 기법을 적용한 다중 로터문제 유동해석의 타당성과 효율성을 평가하고, 초기 설계 및 파라미터 연구에서의 활용 가능성을 검토하고자 한다.
제안 방법
- 이를 기반으로 전진 비행하는 QTR에 대한 해석을 수행함으로써 각 구성요소에 의한 간섭효과를 개별적으로 분석하고 전·후방 로터 간의 위상차, 로터 회전 방향의 변화 등 다양한 운용조건에서의 성능 변화와 공기역학적 특징을 상세하게 분석하고자 하였다.
- Sitaraman과 Baeder[4]는 CFD-자유후류 결합 기법을 사용하여 후방 로터의 1개 블레이드에 대한 비정상 공력 하중을 연구하였다. 이 연구에서는 전방 로터에서의 후류를 자유후류로 모사하였다. Lee와 Baeder[5,6]는 전방 로터에서 발생한 후류를 포착하기 위해 helical vortex tracking grid(VG)를 중첩 격자에 적용하여 전·후방 로터의 블레이드 와류 상호영향과 전·후방 로터 간의 상호간섭효과에 대해 연구하였다.
- 따라서 QTR의 공기역학적 특성과 각 구성 요소 및 운용 조건으로 인한 성능 변화의 종합적 비교, 분석에 어려움이 있다. 본 연구에서는 로터를 포함한 유동장을 효율적으로 해석하기 위해 Actuator Surface Method(ASM)를 유동 해석 기법에 적용하고 해석 절차를 구축, 검증하였다. 이를 기반으로 전진 비행하는 QTR에 대한 해석을 수행함으로써 각 구성요소에 의한 간섭효과를 개별적으로 분석하고 전·후방 로터 간의 위상차, 로터 회전 방향의 변화 등 다양한 운용조건에서의 성능 변화와 공기역학적 특징을 상세하게 분석하고자 하였다.
- 시간 간격은 로터의 방위각(azimuth angle, Ψ) 1° 회전에 소요되는 시간으로 설정하였다.
- 최초 격자 높이는 목표 y+ 값 40이 되도록 설정하였으며 벽면 경계 조건으로 벽함수 경계조건을 사용하였다.
- IASM은 양력선 이론에 기반한 기존 ASM이 가지는 문제점인 상대 속도 획득의 임의성과 끝단 손실 보정의 필요성으로부터 자유로운 해석자이다. 로터 영역을 제외한 유동장은 오픈소스 CFD 코드인 OpenFOAM이 제공하는 해석자 중, 3차원 비압축성 비정상 해석자인 PIMPLE(PISO+SIMPLE) 해석자를 사용하여 계산하였다. 2.
- QTR을 중심으로 육면체 형태의 원방 경계를 설정하고, 내부를 비정렬 혼합격자계로 해석 격자를 생성하였다. Fig.
- 전진 비행하는 QTR의 공력성능 분석을 위해전진비 μ = 0.57 조건에 대한 해석을 수행하였다.
- QTR의 각 구성요소에 의한 간섭효과를 분석하기 위해 4가지 해석 케이스(UO, FO, RO, QO)를 설정하고 해석을 수행하였다. UO(Un-powered Operation) 케이스는 로터를 제외하고 비행체만을 해석한 케이스를 의미한다.
- 3에서 붉은색으로 표시된 부분은 가상블레이드를 의미한다. 로터 운용 조건에 따른 영향을 분석하기 위해 6가지 해석 케이스를 고려하였다. 기준(Baseline) 케이스는 앞서의 QO 케이스와 동일하다.
- Kim 등[12]은 단일 로터에 대한 제자리 비행, 전진 비행 해석을 수행하여 IASM의 타당성을 검증한 바가 있다. 추가로 다중 로터 성능 예측에 대한 IASM 기법의 검증을 위해 Dingeldein[13]에 의해 수행된 단일 및 탠덤 로터 실험의 제자리 비행 케이스를 비교 대상으로 선정하고, 별도의 계산을 수행하였다. 실험에 사용된 로터의 직경(D)과 고형비(solidity)는 4.
- 본 해석에 앞서 QO 케이스의 총 추력계수 평균값을 비교함으로써 격자 민감도 연구를 수행하였다. Fig.
- 본 해석에 앞서 QO 케이스의 총 추력계수 평균값을 비교함으로써 격자 민감도 연구를 수행하였다. Fig. 2에 나타낸 격자계를 기반으로, 전방 로터와 후방로터 사이영역의 격자 조밀도에 중점적인 차이를 둔 5종의 격자에 대한 해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 격자 수에 따른 총 추력계수 평균값을 Fig.
- 본 연구의 IASM 결합 해석자와 타 해석자의 계산 효율성을 비교하였다. QTR 해석의 계산 효율성을 비교하기 위해 Table 4에 본 연구 및 Sheng과 Narramore의 연구[7]에서 사용된 형상, 해석자, 격자 수, CPU, 계산 소요시간 등을 나타내었다.
- 본 연구의 IASM 결합 해석자와 타 해석자의 계산 효율성을 비교하였다. QTR 해석의 계산 효율성을 비교하기 위해 Table 4에 본 연구 및 Sheng과 Narramore의 연구[7]에서 사용된 형상, 해석자, 격자 수, CPU, 계산 소요시간 등을 나타내었다. 계산에 사용된 격자 수와 CPU 성능 및 프로세서 수 등의 차이가 존재하나 종합적으로 고려하였을 때 IASM을 이용한 계산이 RANS, sliding mesh 기법 기반의 full CFD 대비 계산 효율성이 높다고 판단할 수 있다.
- b는 각 날개 스팬의 절반 길이를 의미하고(Table 1), y=0 지점은 동체 중심선, y=b는 각 날개의 끝단 지점에 해당한다. UO, FO 케이스의 비교를 통해 전방 로터의 유무에 따른 전방 날개의 공력 성능 차이를 분석하였다. Fig.
- 날개 공력특성 분석에 이어, 요소 간 간섭효과에 의한 로터 성능 변화를 분석하였다. Fig.
- 구성 요소의 간섭효과를 분석하기 위해 un-powered 조건과 전·후방 로터의 구동 조건, 쿼드 로터 운용 등 4가지 케이스를 해석하였고 조건에 따른 성능 변화를 분석하기 위해 전·후방 로터 간의 위상차(30°, 60°, 90°)를 부여한 케이스와 전·후방 로터를 반대 방향으로 회전시킨 케이스 등 5가지 케이스를 해석하였다.
- 효율적인 QTR 주위 유동장의 수치적 연구를 위해 IASM 기법을 결합한 유동 해석자를 사용하였다. 해석에 소요된 계산 자원과 물리적 시간을 이전에 수행된 연구와 비교하여 해당 기법의 계산 효율이 우수함을 확인하였으며 다중 로터 성능 예측에 대한 검증 또한 수행하였다. 전진 비행 조건에서의 QTR에 대해 각 구성 요소의 간섭효과와 다양한 운용 조건에서의 성능 변화를 분석하였다.
- 해석에 소요된 계산 자원과 물리적 시간을 이전에 수행된 연구와 비교하여 해당 기법의 계산 효율이 우수함을 확인하였으며 다중 로터 성능 예측에 대한 검증 또한 수행하였다. 전진 비행 조건에서의 QTR에 대해 각 구성 요소의 간섭효과와 다양한 운용 조건에서의 성능 변화를 분석하였다. 구성 요소의 간섭효과를 분석하기 위해 un-powered 조건과 전·후방 로터의 구동 조건, 쿼드 로터 운용 등 4가지 케이스를 해석하였고 조건에 따른 성능 변화를 분석하기 위해 전·후방 로터 간의 위상차(30°, 60°, 90°)를 부여한 케이스와 전·후방 로터를 반대 방향으로 회전시킨 케이스 등 5가지 케이스를 해석하였다.
- 전·후방 로터의 성능을 비교한 결과, 전방 로터의 성능 변화는 크지 않고, 전방 로터 후류의 영향으로 인해 후방 로터의 성능 변화가 발생할 수 있음을 확인하였다. 마지막으로, 전체 비행체의 공력 성능을 비교하였다. 로터 간 위상차에 따른 공력 성능의 변화는 미미하고 로터가 반대 방향으로 회전할 경우, 명확한 성능 저하가 발생함을 확인하였다.
대상 데이터
- 해석 대상 형상은 Fig. 1에 나타낸 참고 문헌[11]의 쿼드 틸트 프롭 무인기를 참고하여 정의하였다. QTR 비행체는 2개의 날개와 각 날개 끝단에 장착된 4개의 로터 및 수직미익으로 구성된다.
- 성능 예측과 분석 관점에서 격자 간의 차이는 크지 않은 것으로 판단하였으며, 계산 자원과 소요 시간을 종합적으로 고려하여 본 연구에는 14.75× 106개격자를 선정하여 사용하였다.
- 추가로 다중 로터 성능 예측에 대한 IASM 기법의 검증을 위해 Dingeldein[13]에 의해 수행된 단일 및 탠덤 로터 실험의 제자리 비행 케이스를 비교 대상으로 선정하고, 별도의 계산을 수행하였다. 실험에 사용된 로터의 직경(D)과 고형비(solidity)는 4.572 m, 0.054이며 비틀림과 테이퍼가 없는 2개의 블레이드로 구성되어 있다. 블레이드는 NACA0012 익형으로구성되어 있으며 세장비는 11.
이론/모형
- 난류모델은 2-방정식 모델인 k-ω SST 모델을 사용하였다.
- 해석에 적용한 수치기법으로는, 공간 차분에 2차 정확도의 풍상 차분법, 시간 적분에는 2차 정확도의 Euler 후방차분법을 사용하였다. 시간 간격은 로터의 방위각(azimuth angle, Ψ) 1° 회전에 소요되는 시간으로 설정하였다.
- 효율적인 QTR 주위 유동장의 수치적 연구를 위해 IASM 기법을 결합한 유동 해석자를 사용하였다. 해석에 소요된 계산 자원과 물리적 시간을 이전에 수행된 연구와 비교하여 해당 기법의 계산 효율이 우수함을 확인하였으며 다중 로터 성능 예측에 대한 검증 또한 수행하였다.
- 본 연구에서는 다중 로터를 포함하는 유동장의 효율적인 해석을 위해 Kim 등[10]에 의해 제시된 Improved Actuator Surface Method(IASM)를 사용하였다.
성능/효과
- Lee와 Baeder[5,6]는 전방 로터에서 발생한 후류를 포착하기 위해 helical vortex tracking grid(VG)를 중첩 격자에 적용하여 전·후방 로터의 블레이드 와류 상호영향과 전·후방 로터 간의 상호간섭효과에 대해 연구하였다. 이 연구에서는 준정상상태를 가정하고 회전 효과를 모사하여 해석을 수행하였으며 VG 사용 여부에 따른 추력 차이는 최대 3% 이내임을 확인하였다. Sheng과 Narramore[7]는 CFD를 이용하여 Bell Boeing QTR을 해석하였으며 전진 비행 조건, 75° 천이 비행 조건에 대해 공기역학적 상호간섭과 성능을 분석하였다.
- 로터 영역을 제외한 유동장은 오픈소스 CFD 코드인 OpenFOAM이 제공하는 해석자 중, 3차원 비압축성 비정상 해석자인 PIMPLE(PISO+SIMPLE) 해석자를 사용하여 계산하였다. 2.3절 해석조건에서 다시 언급되겠지만, 본 연구의 해석 조건은 마하수 0.3 이하 영역에 해당하므로 비압축성 유동 해석자의 사용이 타당하다고 판단하였다.
- 38× 106개이다. Fig. 7에 해석과 실험 결과를 로터 성능계수인 추력계수(CT)와 동력계수(CP)를 이용하여 비교하였으며, 두 결과가 서로 잘 일치하여, 본 연구의 IASM 결합 해석자의 타당성을 확인할 수 있다.
- QTR 해석의 계산 효율성을 비교하기 위해 Table 4에 본 연구 및 Sheng과 Narramore의 연구[7]에서 사용된 형상, 해석자, 격자 수, CPU, 계산 소요시간 등을 나타내었다. 계산에 사용된 격자 수와 CPU 성능 및 프로세서 수 등의 차이가 존재하나 종합적으로 고려하였을 때 IASM을 이용한 계산이 RANS, sliding mesh 기법 기반의 full CFD 대비 계산 효율성이 높다고 판단할 수 있다. 또한 RANS, 중첩 격자 기법을 사용하여 동축로터를 해석한 Lakshminarayan[14]의 연구에서도, 한 케이스 계산에 Intel Xeon 3.
- 또한, 후방 날개의 경우에는 전·후방 로터에 의한 효과가 복합적으로 작용하는 QO 케이스에서 UO 케이스대비 7.9% 높은 양력 발생을 확인하였다.
- 후방 날개에서는 전방 날개에 비해 복잡한 유동현상이 나타난다. UO, RO 케이스의 비교를 통해 전방 날개에서와 같은 후방 로터로 인한 양력의 증가를 확인할 수 있다(Fig. 9(c), Fig.
- 11). 또한 UO, FO 케이스의 비교를 통해 전방 로터에서 발생한 후류로 인한 후방 날개에서의 간섭효과를 확인할 수 있다. Fig.
- 12~14를 통해 전·후방 로터 간 위상차를 부여하였을 때, 단면 양력계수 변화 양상과 전체 날개의 평균 양력 변화는 비교적 크지 않음을 확인할 수 있다.
- 6%이다. 이를 통해 후방 날개에서는 반대 방향으로 회전하는 후방 로터 블레이드에 의한 내리흐름보다 반대 방향으로 회전하는 전방 로터에서 발생한 후류에 의한 성능 저하가 더 크게 발생하였음을 확인할 수 있다.
- 전방 로터의 경우 전방 날개에 의한 폐쇄효과가 발생하는 영역에서 최대 6.3°까지 유효받음각이 증가하고, 후방 로터의 경우 후방 날개의 폐쇄효과와 전방 나셀의 후류로 인한 축방향 속도 감소가 복합적으로 나타나는 영역에서 최대 9.4°까지 유효받음각이 증가하는 것으로 분석되었다.
- 평균값과 RMS는 기준 케이스의 결과로 정규화하였다. 총 추력계수 평균값의 비교에서, 위상차로 인한 차이와 ODR 케이스 차이는 0.5% 이내로 성능 변화가 비교적 미미함을 확인할 수 있다. 반면에 ODF 케이스에서 3.
- 로터의 회전 방향에 따라 전·후방 날개에 올려 흐름 혹은 내리흐름이 발생하게 되고 이는 양력의 증감으로 이어짐을 확인하였다.
- 이는 후방 로터 블레이드 관점에서, 반대 방향으로 회전하는 전방 로터의 후류로 인해 후방 로터 블레이드에서 접선 방향 속도의 변화가 나타났기 때문이다. 또한, 총 추력계수의 RMS 비교로부터 로터 회전 방향의 변화 또는 위상차에 따라 총 추력계수의 RMS 크기가 상당 수준 감소할 수 있음을 확인하였다. RMS의 감소는 총 추력 요동 진폭의 감소를 의미한다.
- 전방 로터 후류의 영향으로 인해 후방 로터의 추력과 동력이 모두 감소하게 되지만 추력 대 동력비는 증가한다. 위상차로 인한 성능 변화와 후방 로터가 반대 방향으로 회전할 때의 성능 변화는 1% 내외로 크지 않음을 확인할 수 있다. 반면 ODF 케이스에서는 반대 방향으로 회전하는 전방 로터 후류의 영향으로 인해 추력과 동력이 모두 증가하고 추력 대 동력비는 감소한다.
- 반면 ODF 케이스에서는 반대 방향으로 회전하는 전방 로터 후류의 영향으로 인해 추력과 동력이 모두 증가하고 추력 대 동력비는 감소한다. 모든 케이스의 비교를 통해 기준 케이스의 후방 로터 효율이 가장 높음을 확인할 수 있다.
- 5% 내외로 크지 않음을 확인할 수 있다. ODF 케이스의 경우 앞서 논의한 바와 같이 반대 방향으로 회전하는 전방로터의 후류의 영향으로 인해 후방 날개 및 로터의 성능이 모두 저하되고 ODR 케이스의 경우 반대 방향으로 회전하는 후방 로터로 인해 후방 날개의 성능이 저하된 결과를 확인할 수 있다.
- 후방 날개는 전방 로터에서 발생한 후류에 의한 영향을 받게 되며 전·후방 로터가 모두 구동될 때는 이러한 효과가 복합적으로 나타났다.
- 전·후방 로터의 성능을 비교한 결과, 전방 로터의 성능 변화는 크지 않고, 전방 로터 후류의 영향으로 인해 후방 로터의 성능 변화가 발생할 수 있음을 확인하였다.
- 전·후방 로터에 대해서는 날개의 존재로 인해 폐쇄효과가 발생하여 축방향 속도가 감소하게 되고, 이는 국소적 추력 증가로 이어짐을 확인하였다.
- 후방 로터에서는 전방 나셀의 후류로 인해축방향 속도가 감소하게 되며, 이로 인한 국소적 추력 증가와 후방 날개로 인한 폐쇄효과에 의한 추력 증가가 복합적으로 발생하였다. 또한, 후방 로터에서 전방 나셀의 후류로 인한 간섭효과는 전방 로터의 후류로 인한 간섭효과보다 강하게 나타났다. 운용 조건에 따른 분석에서는 로터 간 위상차에 따라 로터에서 발생하는 총 추력 요동의 진폭이 달라질 수 있음을 확인하였다.
- 또한, 후방 로터에서 전방 나셀의 후류로 인한 간섭효과는 전방 로터의 후류로 인한 간섭효과보다 강하게 나타났다. 운용 조건에 따른 분석에서는 로터 간 위상차에 따라 로터에서 발생하는 총 추력 요동의 진폭이 달라질 수 있음을 확인하였다. 전·후방 로터의 성능을 비교한 결과, 전방 로터의 성능 변화는 크지 않고, 전방 로터 후류의 영향으로 인해 후방 로터의 성능 변화가 발생할 수 있음을 확인하였다.
- 마지막으로, 전체 비행체의 공력 성능을 비교하였다. 로터 간 위상차에 따른 공력 성능의 변화는 미미하고 로터가 반대 방향으로 회전할 경우, 명확한 성능 저하가 발생함을 확인하였다.
후속연구
- 하지만 비점성 유동 가정에 기반을 두기 때문에 정확한 항력이나 동력 계산이 불가능하고 자유후류 패널이 시간 전진에 따라 계속 생성되므로 시간이 증가할수록 계산 효율이 저하되며, 점성 효과와 물체-후류 상호작용이 지배적인 유동 해석의 경우 신뢰성이 저하될 수 있다. 이로부터 본 연구의 IASM을 결합한 유동 해석 기법이 다중 로터를 포함하는 공학적 문제에 대해서 공력성능 비교, 분석을 위한 파라미터 연구에 유용하게 활용 가능하다고 판단할 수 있다.
- 본 연구의 시간 효율적인 해석 방법은 전후방 로터의 회전수 차이에 따른 공력 성능 및 정안정성 변화 분석 등을 통한 최적의 운용조건 탐색 연구에도 유용하게 활용 가능할 것으로 기대할 수 있다. 또한 본 연구에서는 전진 비행조건에서의 QTR 주위 유동장에 대한 연구만을 수행하였지만 광범위한 비행 조건에서 운용되는 QTR의 공기역학적 특징을 이해하기 위해서는 제자리 비행, 천이 비행, 측풍 조건 등 다양한 비행 조건에서의 연구 또한 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구의 시간 효율적인 해석 방법은 전후방 로터의 회전수 차이에 따른 공력 성능 및 정안정성 변화 분석 등을 통한 최적의 운용조건 탐색 연구에도 유용하게 활용 가능할 것으로 기대할 수 있다. 또한 본 연구에서는 전진 비행조건에서의 QTR 주위 유동장에 대한 연구만을 수행하였지만 광범위한 비행 조건에서 운용되는 QTR의 공기역학적 특징을 이해하기 위해서는 제자리 비행, 천이 비행, 측풍 조건 등 다양한 비행 조건에서의 연구 또한 필요할 것으로 판단된다.
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