다양한 군용기에서, S자 형상의 디퓨저(흡입구)는 터보팬 엔진의 블레이드가 외부에 노출되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 군용 항공기의 흡입구 형상은 F-22와 같은 직사각형, F-16과 같은 초승달모양, MG-25와 같은 타원형 등으로 다양하다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 다양한 입구 형상을 갖는 S자 디퓨저의 공력 성능을 평가하였다. 또한, S형 덕트 중단부 단면 형상을 초승달 모양으로 변경하여 공력 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로, 공력 성능은 다양한 입구 모양에 따라 압력회복률에 약간의 차이를 보였다. 또한 압력왜곡은 직사각형 입구 형태에서 가장 낮았다. 중간단면의 형상이 타원형에서 초승달 모양으로 변경되었을 때, 전체 압력 회복은 높은 수준을 유지했다. 압력왜곡의 경우 초승달 형의 중간 단면을 갖는 덕트가 타원형 중간 단면 덕트보다 균일한 압력 분포를 나타내었다.
다양한 군용기에서, S자 형상의 디퓨저(흡입구)는 터보팬 엔진의 블레이드가 외부에 노출되는 것을 방지하기 위해 사용된다. 군용 항공기의 흡입구 형상은 F-22와 같은 직사각형, F-16과 같은 초승달모양, MG-25와 같은 타원형 등으로 다양하다. 본 연구에서는 수치해석을 통해 다양한 입구 형상을 갖는 S자 디퓨저의 공력 성능을 평가하였다. 또한, S형 덕트 중단부 단면 형상을 초승달 모양으로 변경하여 공력 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 결과적으로, 공력 성능은 다양한 입구 모양에 따라 압력회복률에 약간의 차이를 보였다. 또한 압력왜곡은 직사각형 입구 형태에서 가장 낮았다. 중간단면의 형상이 타원형에서 초승달 모양으로 변경되었을 때, 전체 압력 회복은 높은 수준을 유지했다. 압력왜곡의 경우 초승달 형의 중간 단면을 갖는 덕트가 타원형 중간 단면 덕트보다 균일한 압력 분포를 나타내었다.
In many military aircraft, s-shaped diffusers are used to prevent the fan blades of the turbofan engine from being exposed to the outside. The inlet configurations of the air intakes for military aircraft vary, such as the rectangular intake of the F-22, the crescent-like intake of the F-16, ellipti...
In many military aircraft, s-shaped diffusers are used to prevent the fan blades of the turbofan engine from being exposed to the outside. The inlet configurations of the air intakes for military aircraft vary, such as the rectangular intake of the F-22, the crescent-like intake of the F-16, elliptical intake of the MQ-25. In this study, the aerodynamic performance of s-shaped diffusers with various inlet configurations was evaluated using numerical analysis. In addition, the configuration of the middle section of an s-shape duct was changed to the crescent shape, and the effects on its aerodynamic performance were investigated. As a result, there was a slight difference in total pressure recovery according to various inlet configurations with ellipse-shaped middle sections. Also, the total pressure distortion was the lowest in the rectangular inlet shape. When the configuration of the middle section was changed from an ellipse to a crescent shape, the total pressure recovery remained at a high level, except for the ellipse-shaped inlet configuration. In terms of total pressure distortion, the duct with the crescent-shaped middle section showed a significantly more uniform pressure distribution than that with the ellipse-shaped middle section.
In many military aircraft, s-shaped diffusers are used to prevent the fan blades of the turbofan engine from being exposed to the outside. The inlet configurations of the air intakes for military aircraft vary, such as the rectangular intake of the F-22, the crescent-like intake of the F-16, elliptical intake of the MQ-25. In this study, the aerodynamic performance of s-shaped diffusers with various inlet configurations was evaluated using numerical analysis. In addition, the configuration of the middle section of an s-shape duct was changed to the crescent shape, and the effects on its aerodynamic performance were investigated. As a result, there was a slight difference in total pressure recovery according to various inlet configurations with ellipse-shaped middle sections. Also, the total pressure distortion was the lowest in the rectangular inlet shape. When the configuration of the middle section was changed from an ellipse to a crescent shape, the total pressure recovery remained at a high level, except for the ellipse-shaped inlet configuration. In terms of total pressure distortion, the duct with the crescent-shaped middle section showed a significantly more uniform pressure distribution than that with the ellipse-shaped middle section.
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문제 정의
기본 형상을 바탕으로 입구 형상의 변화에 따른 유동 현상을 분석하고자 하였다. Fig.
본 연구에서는 다양한 입구 형상에 따라 발생하는 S 형 덕트의 유동 특성에 대해서 분석하고자 한다. S 형 덕트의 유동해석을 통해 전압력 회복 및 왜곡도를 계산하였다.
본 연구에서는 입구 형상에 따른 공력성능의 평가와, 각각의 입구 형상에 대하여 중간 단면의 형상을 초승달 형태로 하였을 때 공력성능에 미치는 영향을 평가하였다.
가설 설정
유동장의 입구 조건은 원거리 압력 조건을 사용하였으며, 고도 40, 000 ft, 비행 마하수 0.6 으로 가정하여 해당 고도와 비행 마하수에서의 압력과 온도를 사용하였다. AIP 에 대한 경계조건으로는 엔진으로 일정한 질량 유량이 흡입되도록 하는 목표 질량 유량 조건을 사용하였다[8].
제안 방법
한다. S 형 덕트의 유동해석을 통해 전압력 회복 및 왜곡도를 계산하였다. 기존 S 형 덕트의 공력 성능을 개선하기 위하여 S 형 덕트의 중간 단면을 초승달 형태로 변경하였다.
S 형 덕트의 유동해석을 통해 전압력 회복 및 왜곡도를 계산하였다. 기존 S 형 덕트의 공력 성능을 개선하기 위하여 S 형 덕트의 중간 단면을 초승달 형태로 변경하였다. 또한, 개선된 초승달 형태의 중간단면을 기준으로 다양한 입구 형상에 대한 공력 성능을 평가하였다.
기존 S 형 덕트의 공력 성능을 개선하기 위하여 S 형 덕트의 중간 단면을 초승달 형태로 변경하였다. 또한, 개선된 초승달 형태의 중간단면을 기준으로 다양한 입구 형상에 대한 공력 성능을 평가하였다.
제 1 덕트와 제 2 덕트 사이에 위치한 중간 단면의 높이는 덕트로 인해 팬 블레이드가 차폐될 수 있도록 구속하였다. 또한, 이후에 위치한 팬 블레이드의 허브에 의한 영향을 반영하기 위해 항공기 설계 도면을 참고하여 직경 0.16 m 의 허브를 모사하였다.
이는 제 1 만곡부에서의 박리가 초승달 형태의 중간 단면과의 상호작용으로 인해 박리된 유동이 회복되지 않고, 후단부까지 유지되면서 전압력 손실이 커지는 결과를 도출하였다고 판단하고 있다. 이러한 기본 유동 특성을 바탕으로 입구 형상 및 중간 단면 형상에 따른 압력 회복계수 및 왜곡 계수를 평가하였다.
이러한 유동 현상은 유동 회전에 의해 발생하는 속도의 불균형으로 인해 압력 불균형이 발생하고, 이로 인해 이차 유동이 발생하여 엔진부로의 유동 형태를 교란하기 때문으로 판단된다. 이를 자세하게 확인하기 위해 유로를 따라 발생하는 정압력을 분석하였다. Fig.
따라서 중간 단면이 타원형인 경우 입구 형상 변화에 따른 유동 구조의 변화가 거의 발생하지 않으며, S 형 흡입 덕트 형상에 의해 지배적으로 발생한다는 것을 판단할 수 있었다. 이를 통해 기본 형상에서 변화가 컸던 제 2 만곡부 단면 형상 변화가 엔진 입구부 유동에 영향을 줄 수 있을 것이라고 판단하여, 중간 단면을 변경하여 연구를 수행하였다.
입구 및 중간 단면 형상은 Fig. 2(b) 와 같이 타원형 (Ellipse), 초승달형 (Crescent), 직사각형 (Rectangle) 로 변화시켜 공력 성능을 평가하였다. 직사각형은 코너 와류에 의한 영향을 감소시키기 위해 실제 항공기 흡기구 사진을 기반으로 직사각형의 세로길이의 1/5배의 곡률반경을 갖도록 모서리를 둥글게 처리하였다.
흡입구의 공력 성능은 AIP(Aerodynamic Interface Plane, 흡입구와 엔진의 공기역학적 접합 면)에서의 전압력 회복계수와 전압력 왜곡계수로 평가하였다. 전압력 회복은 다음 식 (3)과 같이 나타내며, 여기서 弓, 8는 자유유동의 평균전압력, 는 AIP 의 평균전압력을 뜻한다.
대상 데이터
2(a) 는 S 형 흡입덕트의 형상을 나타낸 그림이다. Fig. 2(a)에서 볼 수 있듯이, 중심선의 높이가 하강하는 제 1 덕트와 중심선의 높이가 상승하는제 2 덕트로 이루어진 두 번 구부러진 S형 덕트를 사용하였다. 제 1 덕트와 제 2 덕트 사이에 위치한 중간 단면의 높이는 덕트로 인해 팬 블레이드가 차폐될 수 있도록 구속하였다.
흡입덕트는 Wellborn et al.[7] 의실험 논문과 유사하게 입구 단면적의 1.15 배의 단면적을 갖는 카울립 형태의 입구형상을 사용하였다.
유동 해석을 위한 격자는 총 220만개 이상의 체적 격자를 사용하였으며, 덕트 내부의 박리를 예측하기 위해 벽면 근처의 격자를 집중하여 넣었다. 수치해석에 대한 검증은 S형 덕트에 관한 Wellborn et al.
난류모델은 SST k-rn 모델을 사용하였으며 해석기법은 Reynolds Averaged Navier-stokes 기법을 사용하였다. 전기체를 모사하기 위해 덕트를 감싸는 반지름 5 m의 반구형태의 유 동장을 사용하였다. 흡입덕트는 Wellborn et al.
전압력 왜곡은 Rolls Royce에서 개발되어 널리 사용되는 DC60 이라는 지표를 사용하였다. DC60 은 AIP 의 평균 전압력과 AIP 에서 가장 전압력이 낮은 60° 영역의 평균 전압력의 차이를무차원화한 값이며, 식 (4)와 같이 정의한다.
14 로 제 1 덕트에서 면적이 크게 증가하고 제 2 덕트에서 면적이 완만하게 증가하는 형태이다. 흡입덕트의 종 길이는 AIP(Aerodynamic Interface Plane) 직경의 3.5 배이다. 해당 수식을 기반으로 Fig.
데이터처리
수치해석에 대한 검증은 S형 덕트에 관한 Wellborn et al.[9]의 실험적 연구를 수치 해석과 비교하였다. 실험값과 수치해석을 비교한 결과는 Fig.
이론/모형
2을 사용하였다. 난류모델은 SST k-rn 모델을 사용하였으며 해석기법은 Reynolds Averaged Navier-stokes 기법을 사용하였다. 전기체를 모사하기 위해 덕트를 감싸는 반지름 5 m의 반구형태의 유 동장을 사용하였다.
1은 본 연구에 사용한 덕트의 형상을 나타낸 그림이다. 덕트의 중심선 곡률 및 단면적의 분포는 RAE M2129 모델을 사용하였으며 이는 식 (1) 및 (2)에 나타난 바와 같다[7]. 4는 덕트 입구와 출구 사이의 오프셋 (offset), Le 덕트의 x방향으로의 길이, 凡는 덕트 입구에서의 반지름, 孩圧는 엔진 입구면에서의 반지름, T?는 #좌표가 %인 위치에서의 덕트 반지름을 뜻한다.
수치 해석은 Ansys Fluent v.17.2을 사용하였다. 난류모델은 SST k-rn 모델을 사용하였으며 해석기법은 Reynolds Averaged Navier-stokes 기법을 사용하였다.
성능/효과
특히 입구 형상이 직사각형이고 중간 단면의 형상이 초승달 형태인 경우 높은 전압력 회복과 낮은 유동 왜곡을 나타내었다. 그리고, 입구 형상이 타원형이고, 중간단면의 형상이 초승달 형태일 경우 가장 낮은 전압력 회복계수를 나타내는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 입구 및 중간 단면 형상에 따른 유동 형상을 이해할 수 있었으며, 이를 통해 향후 피탐지를 고려한 설계가 추가되어야 할 것으로 판단된다.
유동 왜곡을 보였다. 다음으로 각각의 입구 형상에 대하여 중간단면의 형상을 초승달 형태로 변화시킨 결과, 전반적으로 유동 왜곡이 크게 개선되었다. 특히 입구 형상이 직사각형이고 중간 단면의 형상이 초승달 형태인 경우 높은 전압력 회복과 낮은 유동 왜곡을 나타내었다.
그림에서 볼 수 있듯이, 입구 형상 변화에 따라서 압력 회복 계수가 크게 변화하지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 중간 단면이 타원형인 경우 입구 형상 변화에 따른 유동 구조의 변화가 거의 발생하지 않으며, S 형 흡입 덕트 형상에 의해 지배적으로 발생한다는 것을 판단할 수 있었다. 이를 통해 기본 형상에서 변화가 컸던 제 2 만곡부 단면 형상 변화가 엔진 입구부 유동에 영향을 줄 수 있을 것이라고 판단하여, 중간 단면을 변경하여 연구를 수행하였다.
이와 같은 영향도 분석을 통해 결론적으로 직사각형-초승달형의 S 형 입구 덕트에서 가장 우수한 유동 성능이 나온다는 것을 확인할 수 있었으며, 타원형-초승달 형에서 압력 회복 계수가 가장 낮은 것을 확인하였다. 또한, 모든 케이스에서 S형 입구 덕트 성능을 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 향후 피탐지 성능과 연관지어 S 형 흡입 덕트의 형상 정보를 평가하는 것이 필요하다고 판단된다.
[9]의 실험적 연구를 수치 해석과 비교하였다. 실험값과 수치해석을 비교한 결과는 Fig. 3와 같으며, 90°와 170°에서 전반적인 압력계수의 상승 및, XIDajp 2 ~ 3에 있는 박리 구간의 예측이 실험값과 일치하는 것을 확인하였다.
다만, 입구 형상이 타원형인 경우 전압력 회복이 낮아지면서 압력 왜곡 계수가 일반적인 방향과 다르게 나왔다고 판단할 수 있다. 이와 같은 영향도 분석을 통해 결론적으로 직사각형-초승달형의 S 형 입구 덕트에서 가장 우수한 유동 성능이 나온다는 것을 확인할 수 있었으며, 타원형-초승달 형에서 압력 회복 계수가 가장 낮은 것을 확인하였다. 또한, 모든 케이스에서 S형 입구 덕트 성능을 만족하는 것을 확인하였다.
입구 형상이 초승달형, 직사각형, 타원형으로 변화함에 따라 전압력 회복에는 크게 영향을 미치지 않았으며 입구 형상이 직사각형일 때 다소 낮은 유동 왜곡을 보였다. 다음으로 각각의 입구 형상에 대하여 중간단면의 형상을 초승달 형태로 변화시킨 결과, 전반적으로 유동 왜곡이 크게 개선되었다.
[5]은 다양한 입구 형상에 따른 S형 덕트의 공력 성능을 수치해석을 통하여 평가하였다. 전압력 회복의 경우 반원형과 직사각형에서 높은 전압력 회복을 나타내었고, 전압력의 왜곡의 경우 타원형과 반원형에서 낮은 왜곡 도를 나타냈다. Lee et al.
후속연구
또한, 모든 케이스에서 S형 입구 덕트 성능을 만족하는 것을 확인하였다. 따라서 향후 피탐지 성능과 연관지어 S 형 흡입 덕트의 형상 정보를 평가하는 것이 필요하다고 판단된다.
그리고, 입구 형상이 타원형이고, 중간단면의 형상이 초승달 형태일 경우 가장 낮은 전압력 회복계수를 나타내는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 입구 및 중간 단면 형상에 따른 유동 형상을 이해할 수 있었으며, 이를 통해 향후 피탐지를 고려한 설계가 추가되어야 할 것으로 판단된다.
참고문헌 (10)
Howe, D., “Introduction to the Basic Technology of Stealth Aircraft: Part 1-Basic Considerations and Aircraft Self- Emitted Signals-Passive Considerations,” Journal of Engineering for Gas Turbine and Power, Vol. 113, No. 1, pp. 75-79, 1990.
Menzies, R., “Computational Investigation of Flows in Diffusing S-shaped Intakes,” Acta Polytechnica, Vol. 41, No. 4-5, pp. 61-67, 2001.
Menzies, R.D.D. and Eng, M., "Investigation of S-shaped Intake Aerodynamics Using Computational Fluid Dynamics," Ph. D. Dissertation, Department of Aerospace Engineering, University of Glasgow, Glasgow, Scotland, UK, 2002.
Kurzke, J., "Effects of Inlet Flow Distortion on the Performance of Aircraft Gas Turbines," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 130, pp. 117-125, 2008.
Saha, K., Singh, S.N., Seshadri, V., and Mukhopadhyay, S., “Computational Analysis on Flow through Transition S-diffusers: Effect of Inlet Shape,” Journal of Aircraft, Vol. 44, No. 1, pp. 187-193, 2007.
Lee, J., Choi, H., Ryu, M., and Cho, J., “A Study on Flow Characteristics of the Inlet Shape for the S-Duct,” Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 43, No. 2, pp. 109-117, 2015..
Berens, T.M., Delot, A.L., Chevalier, M., Muijden, J.V., Waaijer, R.A., and Tattersall, P., "GARTEUR AD/AG-43 Application of CFD to High Offset Intake Diffusers," GAUTEUR TP-173, 2012.
Papadopoulos, F., Valakas, I., and Nikolos, I.K., "Design of an S-duct Intake for UAV Applications," Aircaft Engineering and Aerospace Technology: An International Journal, Vol. 84, Issue 6, pp. 439-456, 2012.
Wellborn, S.R., Reichert, B.A., and Okiishi, T.H., "An Experimental Investigation of the Flow in a Diffusing S-duct," The 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Nashville, Tennessee, U.S.A., AIAA-92-3622, Jul. 1992.
Johansson, M., "FOT25 2003-2005: Propulsion Integration Final Report," FOI-R-2017-SE, 2006.
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