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문제 정의
- 본 연구를 통해 경계층 흡입을 통한 S-Duct의 유동 왜곡현상 개선 가능성을 확인하였다. 그리고 Starboard Side의 박리현상이 엔진 입구면 하단부에 서의 유량 분포 차이를 만들며, 이에 의해 압력 불균형으로 이어지는 일련의 과정을 통해 유동 왜곡현상의 Mechanism이 확인되었다.
- 본 연구에서는 RAE M 2129 S-Duct에 경계층 흡입이 유동 왜곡 현상에 미치는 영향을 알아보기 위하여 RAE M 2129 S-Duct에 흡입 위치와 흡입 각도를 등 간격으로 설정해 30개의 모델에 대하여 전산 해석을 수행하였다.
가설 설정
- 10(a)에 비해 와류의 강도는 감소하였으나, Fig. 10(a), (b)보다 Starboard Side의 유동 자체가 감소한 것을 보여준다.
- 5(a)의 Port Side에서의 실험값과 CFD 전산해석 값은 최대 2% 내외의 오차를 가지며 Fig. 5(b)의 Starboard Side에서의 압력분포는 X/DEF 2~3 사이 구간에서 오차가 가장 크게 발생한다. X/DEF 2~3 구간은 역압력 구배에 의한 2차유동이 가장 심하여 예측이 어려운 구간이다[14,15].
- Sub Duct는 Fig. 2에 나타낸 것처럼 Sub Duct의 위치와 적용 각도를 형상인자로 설정하였다. 위치는 S-Duct가 시작하는 지점에 대하여 \(x\)축 양의 방향으로의 거리이며, 각도는 Sub Duct 적용 위치에서 S-Duct의 중심곡선에 대한 접선방향에 따른 각도로 하였다.
제안 방법
- 경계조건으로는 S-Duct 외부 유동장에 대하여 Riemann invariants를 적용하였다. S-Duct 외부 유동 장에 대해서는 속도 조건을 부여하였으며, 엔진 입구 면에는 정압조건, S-Duct 벽면에는 점착조건(No Slip Condition)을 적용하였다. 구체적인 내용에 대해서는 Table 2에 나타내었으며, AGARD Test Case 3.
- Sub Duct 형상인자는 6 Case의 위치(\(x\)=0.12, 0.15, 0.18, 0.21, 0.24, 0.27, unit m)와, 5 Case의 각도 (θs = 30, 45, 60, 75, 90, unit degree)로 구성하였으며, 이에 따라 총 30 Case의 전산해석 모델을 생성하였다.
- 본 연구에서는 S-Duct 하단부에 Sub Duct를 적용 하여 경계층 흡입을 수행하였다. 경계층 흡입이 SDuct 내부 유동특성과 엔진 입구 면에서의 유동왜곡에 미치는 영향성에 대하여 연구를 하였으며, S-Duct 내 동일한 유량의 흡입에 대하여 흡입면의 위치와 흡입 각도를 변수로 설정하여 연구를 진행하였다.
- 03% 미만으로 결과 값의 차이가 거의 없는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에 서는 전산해석 시간 절감이 가능하며 비교적 정확한 결과를 보이는 680만개의 격자를 이용하여 전산해석을 수행하였다.
- 본 연구는 Fig. 1에 나타낸 RAE M2129 S-Duct의 Starboard Side에 Sub Duct를 적용하였으며, Sub Duct의 형상 인자를 변수로 설정하여 전산해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 ARA(Aircraft Research Association)에서 제시한 RAE M2129 S-Duct의 실험조건을 바탕으로 전산해석을 수행하였다[15]. 또한 실험 조건을 맞추기 위하여 엔진 입구 면 직경을 특성 길이로 하여 레이놀즈수를 777,000으로 설정하였다.
- 본 연구에서는 RAE M2129 S-Duct를 기본모델로 선정하여 전산해석을 수행하였다. 본 모델은 AGARD (Advisory Group for Aerospace Research and Development)[12]에서 S-Duct내 유동 특성을 분석하기 위하여 연구에 사용한상이며, Fig.
- 본 연구에서는 S-Duct 하단부에 Sub Duct를 적용 하여 경계층 흡입을 수행하였다. 경계층 흡입이 SDuct 내부 유동특성과 엔진 입구 면에서의 유동왜곡에 미치는 영향성에 대하여 연구를 하였으며, S-Duct 내 동일한 유량의 흡입에 대하여 흡입면의 위치와 흡입 각도를 변수로 설정하여 연구를 진행하였다.
- 본 연구에서는 유동 왜곡계수의 정도를 평가하는 기준으로 왜곡이 가장 심한 영역을 θ=60°의 부채꼴 영역으로 선정하여 평가를 수행하였다[4,5, 14].
- 전산해석영역은 하나의 영역으로 구성하였으며, S-Duct 내부 유동에 영향을 미치지 않게 하기 위해 외부 유동장의 크기는 엔진 입구면 지름의 8배 크기의 반구형으로 하였다. 이는 이지형 등[14]의 논문을 참조하였다.
대상 데이터
- Figure 4는 전산해석 수행 시 계산 정확도와 격자 의존성을 확인하기 위하여 격자수에 따른 PR (Pressure Recovery)값을 나타낸 것이다. 격자수는 가장 성긴 140만개부터 가장 조밀한 900만개로 9개 모델에 대한 전산해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 RAE M2129 S-Duct를 기본모델로 선정하여 전산해석을 수행하였다. 본 모델은 AGARD (Advisory Group for Aerospace Research and Development)[12]에서 S-Duct내 유동 특성을 분석하기 위하여 연구에 사용한상이며, Fig. 1에 나타내었다. S-Duct의 중심곡선에 대하여 식 (1)과, 중심곡선에 수직한 단면의 직경을 식 (2)에 나타내었으며, 주요 형상 인자에 대해서 Table 1에 표기하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 전산해석을 수행하기 위하여 상용 전산해석 프로그램 ANSYS Ver. 17.2를 사용하였다. 지배방정식의 이산화는 2차원 정확도를 제공하는 High Resolution Scheme을 사용하였다.
- 본 연구의 전산해석기법의 타당성을 확인하기 위해 Port Side와 Starboard Side의 압력분포에 대하여 ARA의 실험값, ARA의 전산해석 값, 본 실험에서 수행한 CFD 전산해석 값을 비교하였으며 Fig. 5는 전산해석 결과를 나타낸 것이다.
이론/모형
- S-Duct의 성능을 판단하는 지표로 유동 왜곡계수 (Distortion Coefficient, DC)와 전압력 회복률(Pressure Recovery, PR)을 사용하였다. Fig.
- 경계조건으로는 S-Duct 외부 유동장에 대하여 Riemann invariants를 적용하였다. S-Duct 외부 유동 장에 대해서는 속도 조건을 부여하였으며, 엔진 입구 면에는 정압조건, S-Duct 벽면에는 점착조건(No Slip Condition)을 적용하였다.
- 유동 영역의 격자는 ANSYS Meshing을 사용하여 생성되었으며, Tetra/Prism의 비정렬 격자로 구성되었다. 난류 모델로 \(k-w\)SST를 적용하기 위하여 y+ ≈ 1 이하(Layer : 26개)의 격자로 구성하였다.
- 지배방정식의 이산화는 2차원 정확도를 제공하는 High Resolution Scheme을 사용하였다. 전산해석을 위해 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)방정식을 사용하였으며, S-Duct 벽면 근처에서의 역압력구배(Adverse Pressure Gradient), 2차 유동(Secondary Flow), 유동 박리(Flow Separation)를 예측하기 위해 난류 모델은 \(k-w\)SST(Shear Stress Transport)를 적용하였다[13].
- 2를 사용하였다. 지배방정식의 이산화는 2차원 정확도를 제공하는 High Resolution Scheme을 사용하였다. 전산해석을 위해 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)방정식을 사용하였으며, S-Duct 벽면 근처에서의 역압력구배(Adverse Pressure Gradient), 2차 유동(Secondary Flow), 유동 박리(Flow Separation)를 예측하기 위해 난류 모델은 \(k-w\)SST(Shear Stress Transport)를 적용하였다[13].
성능/효과
- 10(b)은경계층 흡입 적용 후, Fig. 10(a)에 비해 와류의 강도가 완화되고 엔진 입구면 중앙 부분을 향하는 유동이 증가한 것을 보여 준다. 그러나 Fig.
- 9(b) 는 Fig. 9(a)의 기본 모델에 비해 박리점이 유동 방향을 기준으로 뒤쪽으로 이동하고, 재부착 지점은 앞쪽으로 이동하면서, 박리점과 재부착 지점 사이의 거리가 줄어든 것을 보여준다. Fig.
- 13(b)에서 Fig. 13(a)의 기본 모델에 비해 역압력 구배의 강도가 전체적으로 완화된 것을 확인되었다. Fig.
- 11~13을 통해 Starboard Side의 역압력 구배에 의하여 엔진 입구면 하단부로 공급되는 유량 차이가 엔진 입구 면에 대한 θ영역의 유량 분포 차이를 발생시키며, 그 결과 유동 왜곡현상에 영향을 미치는 것이 확인되었다.
- Adam Jirasek 등[4]은 S-Duct의 Inlet에 소형와류 발생기를 부착하여 5개의 형상인자에 대한 최적화를 수행하였다. 그 결과, 1) 경계층 두께에 대한 Vortex Generator의 상대적 높이, 2) 박리점과 Vortex Generator 사이의 간격이 가장 중요한 인자임을 보였다.
- 각 모델들의 PR값을 비교한 결과, 약 680만개 이상의 격자에서 오차가 0.03% 미만으로 결과 값의 차이가 거의 없는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에 서는 전산해석 시간 절감이 가능하며 비교적 정확한 결과를 보이는 680만개의 격자를 이용하여 전산해석을 수행하였다.
- Marco Debias 등[8]은 S-Duct Throat에 공기를 주입하고, 엔진 입구면 근처에서 동일한 양의 유량을 흡입하여 유동 왜곡과 전압력 회복에 대하여 연구하였다. 그 결과, 기존대비 Separation Bubble의 감소와 흡입으로 인한 Reattachment를 확인하였다.
- 경계층 흡입을 적용하기 전, S-Duct의 Starboard Side에서 역압력 구배에 의한 유동 박리가 확인 되었다. 그 결과, 엔진 입구면의 Starboard Side 부분이타 영역에 비해 압력이 높아지고 압력분포가 불균일하게 되는 것을 보였다. 이러한 과정으로 보아 역압력 구배에 의해 유동박리가 발생하게 되며, 이것으로 인한 Starboard Side의 상대적인 유량 공급 저하가 불균일한 압력분포의 원인으로 판단된다.
- 이준석 등[5]은 Vortex Generator의 길이, 높이 각도를 변수로 설정하여 최적설계를 진행하였다. 그 결과, 유동 왜곡을 최대 약 72% 감소시켰다.
- 최요한 등[7]은 Kriging-EI와 유전 알고리즘 기법을 이용하여 Bleed 유동제어 장치가 초음속 흡입구에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 그 결과, 최적의 Bleed 조건에서 약 6.49%의 전압력 회복률 증가를 확인하였으며, 흡입 유량 또한 증가하였음을 확인하였다.
- 본 연구를 통해 경계층 흡입을 통한 S-Duct의 유동 왜곡현상 개선 가능성을 확인하였다. 그리고 Starboard Side의 박리현상이 엔진 입구면 하단부에 서의 유량 분포 차이를 만들며, 이에 의해 압력 불균형으로 이어지는 일련의 과정을 통해 유동 왜곡현상의 Mechanism이 확인되었다. 또한 본 연구를 토대로 경계층 흡입 유량 변화에 따른 Starboard Side와 엔진 입구면에서의 Vortex 및 그와 관련한 유동 왜곡 현상에 대해서 향후 추가적인 연구를 하고자 한다.
- 경계층 흡입을 적용하여 왜곡현상 저감 효과를 나타낸 모델들은 Starboard Side에서 역압력 구배에 의한 박리 현상이 완화 되는 경향을 보여주었다. 그에 따른 결과로, 엔진 입구면에서의 유량 분포 불균형이 개선됨과 압력 분포 불균형이 최대 26.14% 개선되었음을 확인하였다.
- 5% 내외이며, ARA 전산해석 값보다 더 실험값에 근사함을 보인다. 따라서 본 연구에서 사용한 전산해석기법이 타당함을 검증하였다.
- Ball 등[10]은 Suction과 Blowing을 적용하여 유동 왜곡현상 개선과, 압력 손실 저감에 효과가 있음을 확인하였다. 또한 유동 왜곡 개선에는 Blowing보다 Suction이 효과적이며, 압력손실 저감에는 Suction보다 Blowing이 더 효과적임을 확인하였다.
- Angie Rabe Scribben 등[9]은 구부러진 Duct에 Inlet Mass Flow Rate의 1%에 해당하는 공기를 주입한 뒤, 전압(Total Pressure)을 측정하였다. 연구 결과, Duct 입구 영역에서 유동 왜곡을 약 70% 정도 개선하였으며, 전압력 회복률을 2% 정도 향상시켰다.
- Sullerey 등[6]은 Boundary Layer Fence와 Vortex Generator의 배치에 따른 정압 상승과 유동 왜곡을 연구하였다. 연구 결과, 정압 회복률과 압력 계수를 증가시키고 유동 왜곡을 감소키는 성과를 보였다.
- Reichert 등[3]은 Vortex Generator의 배열을 이용하여 전압력 회복률, 유동 왜곡과 같은 공기역학적 성능을 향상시키고자 하였다. 연구결과, 유동 왜곡은 최대 50% 이상, 전압력 회복률은 약 0.5% 향상 시켰다.
- 18m부터는 DC 60의 최대값과 최소값의 차이가 기본 모델의 DC 60에 대하여 3% 미만이다. 이를 통해 흡입 각도에 의한 영향보다 흡입 위치에 의한 영향이 훨씬 큰 것을 확인할 수 있었다. 그리고 흡입 위치가 변곡점(\(x\) = 0.
- 전산해석 수행 결과, 유동 왜곡현상은 경계층 흡입 각도에는 거의 영향을 받지 않았으며, 흡입 위치에 지배적으로 영향을 받았다. 적용되는 흡입 위치가 S-Duct의 Throat에 가까울수록 왜곡현상 저감에 효과적임을 보였는데, 이것은 흡입면의 유속이 빠를수록, 왜곡현상 개선에 더 효과적으로 판단되어진다. 또한 동일 유량을 흡입하였음에도 불구하고 흡입 위치가 변곡점(\(x\) = 0.
- 전산해석 수행 결과, 유동 왜곡현상은 경계층 흡입 각도에는 거의 영향을 받지 않았으며, 흡입 위치에 지배적으로 영향을 받았다. 적용되는 흡입 위치가 S-Duct의 Throat에 가까울수록 왜곡현상 저감에 효과적임을 보였는데, 이것은 흡입면의 유속이 빠를수록, 왜곡현상 개선에 더 효과적으로 판단되어진다.
후속연구
- 그리고 Starboard Side의 박리현상이 엔진 입구면 하단부에 서의 유량 분포 차이를 만들며, 이에 의해 압력 불균형으로 이어지는 일련의 과정을 통해 유동 왜곡현상의 Mechanism이 확인되었다. 또한 본 연구를 토대로 경계층 흡입 유량 변화에 따른 Starboard Side와 엔진 입구면에서의 Vortex 및 그와 관련한 유동 왜곡 현상에 대해서 향후 추가적인 연구를 하고자 한다.
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