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멀티콥터용 동축반전 프로펠러 상하 간격에 따른 제자리 비행 공력 특성에 대한 수치적 연구

Numerical Investigation of the Effect of Spacing in Coaxial Propeller Multi-Copter in Hovering

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.2, 2020년, pp.89 - 97  

심민철 (Graduate School of Aerospace Engineering, Sejong University) ,  이경태 (School of Aerospace Engineering, Sejong University) ,  김해동 (School of Aerospace Engineering, Sejong University)

초록
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본 연구에서는 동축반전 프로펠러 설계 파라미터 중 프로펠러 상하 간격이 동축반전 프로펠러 유동에 미치는 영향을 확인하기 위해 ANSYS Fluent 19.0 Solver를 이용하여 26 inch 단일, 동축반전 프로펠러에 대해 수치적 해석을 수행하였다. 단일 프로펠러에 대해 Moving Reference Frame (MRF) 기법을 이용하였으며 동축반전 프로펠러에 대해 방위각에 따라 변하는 유동을 분석하기 위해 Sliding Mesh 기법을 사용하였다. 위, 아래 프로펠러가 서로 반대방향으로 회전하면서 서로 가까워지는 구간에서 추력과 동력이 감소하였다. 프로펠러 상하 간격이 증가하면서 위, 아래 프로펠러의 상호 간섭이 감소하는 것을 관찰하였다. 동축반전 프로펠러 주위 유동장 변수 등고선을 확인한 결과, 프로펠러가 가까워지는 구간에서 발생하는 공력 성능의 변화는 Loading 효과와 동시에 날개 끝 와류후류의 영향으로부터 기인한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a numerical analysis was performed on 26 inch single and coaxial propeller using the ANSYS Fluent 19.0 Solver to analyse the effect of the distance between coaxial propellers as one of the design parameter. The Moving Reference Frame (MRF) method was used for single propeller, while t...

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  • 3) 날개 끝 와류의 후류는 아래 프로펠러 추력의 회복을 지연시켜 아래 프로펠러의 추력 극소점이 위프로펠러에 비해 늦게 나타난다.
  • Figure 23은 8개의 프로펠러를 이용한 동축반전 프로펠러와 분리된 단일 프로펠러 플랫폼의 최소 면적을 나타내고 있다. 프로펠러 사이 간섭은 동축반전 프로펠러에서 상호 간섭만 작용하며 좌우 프로펠러의 영향은 없다고 가정하였다. 단일 프로펠러의 공력 성능 해석 결과를 1차 정확도로 보간하여 3800RPM 회전 속도로 회전하는 동축반전 프로펠러의 공력 성능과 분리된 단일 프로펠러의 공력 성능을 비교하였다
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
동축반전 프로펠러의 장점은? 동축반전 프로펠러는 위, 아래 프로펠러가 반대로 회전하면서 토크를 상쇄시키며 제한된 면적에서 추가적인 추력을 얻을 수 있는 장점이 있다. 하지만 위, 아래 프로펠러의 상호 간섭으로 인하여 2개의 분리된 단일 프로펠러에 비해 유동 간섭이 복잡하고 추가적인 유도 동력 손실이 발생하는 단점이 있다.
동축반전 프로펠러를 적용한 멀티콥터가 개발된다면 어떠한 단점을 보완할 수 있는가? 멀티콥터는 농업, 운송 등 다양한 산업 분야에서 점점 유상하중이 높은 임무를 수행하는 추세에 있다. 이 때 쿼드콥터에서 옥타콥터까지 프로펠러의 수가 증가하는 경향을 보이면서 멀티콥터 로터의 회전 면적이 증가하는 단점이 초래되었다. 이러한 단점을 보완하기 위해 동축반전 프로펠러를 적용한 멀티콥터가 개발되고 있다.
멀티콥터의 특징은? 멀티콥터는 농업, 운송 등 다양한 산업 분야에서 점점 유상하중이 높은 임무를 수행하는 추세에 있다. 이 때 쿼드콥터에서 옥타콥터까지 프로펠러의 수가 증가하는 경향을 보이면서 멀티콥터 로터의 회전 면적이 증가하는 단점이 초래되었다.
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참고문헌 (5)

  1. Lakshminarayan, V. K., and Baeder, J. D., "High-Resolution Computational Investigation of Trimmed Coaxial Rotor Aerodynamics in Hover," Journal of The American Helicopter Society, Vol. 54, No. 4, 2009, Paper 042008. 

  2. Lakshminarayan, V. K., and Baeder, J. D., "Computational Investigation of Micro-scale Coaxial Rotor Aerodynamics in Hover," Journal of Aircraft, Vol. 47, No. 3, 2010, pp. 940-955. 

  3. Song, Y. H., and Kim. D. K., "Development of Coaxial Propeller Test Facility and Experimental Study on Hover Performance Characteristics for Drone," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 46, No. 1, 2018, pp. 59-67. 

  4. Yoon, S., Chaderjian, N. M., Pullia., T. H., and Holst, T. L., "Effect of Turbulence Modeling on Hovering Rotor Flows," The 45th AIAA Fluid Dynamics Conference, Dallas, June 2015. 

  5. Cornelius, J. K., Kinzel, M. P., and Schmitz, S., "Efficient CFD Approaches for Coaxial Rotor Simulations," AIAA SciTech Forum 2019, San Diego, Jan 2019. 

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