[논문]푸리에-스펙트럴 법을 사용한 근접 편대비행 항공기의 와 거동 계산

지승환; 한철희

doi:10.5139/jksas.2020.48.1.1

푸리에-스펙트럴 법을 사용한 근접 편대비행 항공기의 와 거동 계산
Computation of Wake Vortex Behavior Behind Airplanes in Close Formation Flight Using a Fourier-Spectral Method 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.1, 2020년, pp.1 - 11

지승환 (Department of Aeronautical and Mechanical Design Engineering, Korea National University of Transportation) , 한철희 (Department of Aeronautical and Mechanical Design Engineering, Korea National University of Transportation)

초록
AI-Helper

항공기에서 발생한 후류의 거동은 항공기의 성능과 비행안정성에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 푸리에-스펙트럴법을 사용하여 근접 편대비행을 하고 있는 항공기 날개 후류 거동에 관하여 연구하였다. 초기와의 순환강도, 상대위치 등에 따라 와들의 거동이 복잡한 양상으로 나타났다. 와의 순환강도 값이 큰 경우 와들의 이동이 크게 나타났다. 초기에는 가까이 위치한 와의 영향을 받아 이동하지만 이동하는 과정에서 다른 와와 가깝게 되면 새로운 경로를 형성하였다. 점성이 클수록 와의 반경이 증가하여 와 반경 근처로 새롭게 진입하는 와와 상호작용이 강해진다. 향후 항공기가 이착륙 시에 발생하는 지면 효과를 고려한 후류 거동 해석 연구를 수행하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Behaviors of wake vortices generated by an aircraft affect the performance and flight stability of flying aircraft in formation flight. In the present study, the trajectories of the wake vortices behind airplanes in close formation flight were computed using a Fourier spectral method. The behavior of wake vortices showed complex patterns depending on the initial circulation and the relative positions between the vortices. In the initial stage, the wake vortex movement was affected by the nascent vortex. When the vortex becomes closer to the other vortex, then a new trajectory is formed. When the viscous effect becomes dominant, the core radius increases. Thus, a new vortex moving near the existing vortex can have strong interaction with each other, resulting in the complicated behavior of wake vortices. In the future, the ground effect on the behavior of the wake vortices during take-off and landing will be studied.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

[18]은 무격자 기반의 와법(Vortex Method)과 격자기반의 스펙트럴 법 (Spectral Method) 비교 연구를 수행하였으며, 스펙 트럴법이 와법에 비하여 50% 계산시간 감소가 있음을 밝혔다. 따라서, 본 연구에서는 점성의 영향을 고려할 수 있으며 비교적 빠른 계산에 가능한 푸리에-스펙트럴 법을 사용하여 항공기들이 근접편대 비행할 때 날개 사이의 거리와 높이 변화가 날개끝와의 거동에 미치는 영향을 연구하였다.

가설 설정

편대비행을 수행하는 날개의 하중분포는 날개들 사이의 거리변화의 함수이다. 본 연구에서는 날개사이의 거리변화에 따른 날개 하중 분포의 변화를 무시하고 모든 날개들은 타원형 하중분 포를 가진다고 가정하였다. 따라서, 와들의 순환강도는 -Γ₁=Γ₂=-Γ₃=Γ_4,=Γ의 관계를 가진다.

제안 방법

본 연구에 사용한 수치해법의 타당성을 검증하기 위하여 참고문헌[17]의 DNS 해석 결과 및 이론적 결과와 비교하여 검증하였다. 와레이놀즈 수가 750 및 30,000인 계산조건에서, 푸리에-스펙트럴법을 사용하여 시간변화에 따른 와 최대 강도 값을 계산한 후, 이론값 및 DNS 계산결과[22]와 비교하여 Fig.

대상 데이터

본 연구에서는 참고문헌[20]을 참고하여 Table 1과같은 계산조건을 선정하였다. 계산에 적용한 항공기 모델은 날개 길이(B)가 15m이며 NACA 0012 에어포일 단면형상을 가진 사각날개이다. 근접 편대비행을 수행하는 Wing1과 Wing2 사이의 수평거리는 D, 수직거리는 H이다(Fig.

성능/효과

1) 와레이놀즈수를 기준으로 와의 순환강도 값이 큰 경우 와들의 이동속도가 증가하였고, 동점성계수값이 클수록 와반경이 빠르게 증가했다.
2) 두 개의 날개 사이에 위치한 와들은 크기가 같고 순환강도 부호가 반대인 엇회전 와쌍(Vortex Pair)을 구성하였으며, 초기에는 타원형 와도 분포로 변형하였으며, 이동경로에 다른 와가 가까이 존재할 경우 비대칭 형상으로 변형되었다.
3) 날개사이의 수평거리 및 수직거리는 와쌍의 초기 이동방향을 결정하는데 영향을 미친다.
4) 초기에 형성된 와쌍 중 한 개의 와가 새로운 와에 근접하게 되면, 새로운 와쌍이 형성되어 이동경로가 바뀌게 된다. 향후 본 연구방법을 확장하여 항공기가 이착륙 시에 발생하는 지면 효과를 고려한 수치해석 연구를 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	푸리에-스펙트럴 방법을 사용하여 편대비행을 하는 항공기의 날개에서 발생한 와의 거동에 대해 와레이놀주수는 어떤 결과를 얻었는가?	1) 와레이놀즈수를 기준으로 와의 순환강도 값이 큰 경우 와들의 이동속도가 증가하였고, 동점성계수값이 클수록 와반경이 빠르게 증가했다. 2) 두 개의 날개 사이에 위치한 와들은 크기가 같고 순환강도 부호가 반대인 엇회전 와쌍(Vortex Pair)을 구성하였으며, 초기에는 타원형 와도 분포로 변형하였으며, 이동경로에 다른 와가 가까이 존재할 경우 비대칭 형상으로 변형되었다. 3) 날개사이의 수평거리 및 수직거리는 와쌍의 초기 이동방향을 결정하는데 영향을 미친다. 4) 초기에 형성된 와쌍 중 한 개의 와가 새로운 와에 근접하게 되면, 새로운 와쌍이 형성되어 이동경로가 바뀌게 된다. 향후 본 연구방법을 확장하여 항공기가 이착륙 시에 발생하는 지면 효과를 고려한 수치해석 연구를 수행하고자 한다.
	이산와법은 어떤 방법인가?	따라서 이산와법은 얇은 자유전단유동층을 수학 적으로 두께가 없는 와면(Vortex Sheet)으로 모사하고, 와면을 이산화된 점와로 나타내어 와면의 거동을 모사하는 방법이다. 따라서, 이산와법은 후류에서 발생하는 후류말림(Wake Rollup) 현상을 2차원 와면 (와선)의 비정상 전개식인 Birkhoff-Rott 방정식을 사용하여 와면말림(Vortex Sheet Rollup)으로 계산하는 방법이다[12]. Pullin[13]은 날개에서 발생한 와면을 반무한 와선으로 나타낸 후, 와면말림 현상이 Kaden의 Asymptotic Spiral 해와 같음을 보였다.
	근접유동장은 무엇인가?	최근 Breitsamter[7]는 항공기 후류거동(Wake Vortex Behavior)을 4개의 영역으로 나누어 설명하였다. 첫 번째 영역은 날개길이의 50% 이내의 거리(x/b ≤0.5)로, 근접유동장(Near Field)이라 부른다. 근접유동장에서는 항공기 날개 표면에서 발생한 경계층(Boundary Layer) 유동이 날개 후연 (Trailing Edge)에서 하류 방향으로 떨어져 나가며 자유전단층(Free Shear Layer)을 형성하는 영역이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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