[논문]고영각 NACA 0021 익형 주위의 비정상 유동장에 대한 수치해석적 연구

김상덕

doi:10.12985/ksaa.2020.28.2.012

고영각 NACA 0021 익형 주위의 비정상 유동장에 대한 수치해석적 연구
A Numerical Study on Unsteady Flowfield around a NACA 0021 Airfoil at High Angles of Attack 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.28 no.2, 2020년, pp.12 - 17

Abstract ▼ AI-Helper

Even though the benefit of flight at high angle-of-attack is to be able to reduce the speed of flight and maneuvers in complex flight environment, the flight at high angle-of-attack, however, is easy to be in stall which is characterized by sever unsteady flow separation over an airfoil. Current unsteady numerical analysis using DES was conducted to predict the aerodynamic characteristics of a NACA 0021 airfoil at high angle-of-attack conditions. And this provides the comparison with the steady numerical one with the typical turbulence models. The unsteady calculation by DES is appropriate in terms of predicting the aerodynamic performance of NACA 0021 airfoil at high angle-of-attack conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이것은 실제 비정상 유동박리에 따른 양력의 시간에 대한 변화를 정확히 예측하지 못하기 때문이다. 본 연구는 Spalart-Allmaras DES 난류 모델을 사용하여 이러한 문제를 개선하고자 하였다.
그럼에도 불구하고 위에서 언급한 것과 같이 복잡한 비정상 유동의 상호작용을 정확한 예측하기에는 여전히 어려움이 있다(Wolf, 1992). 본 연구에서는 대표적인 비정상 난류유동 해석 방법을 사용하여 높은 받음각을 갖는 3차원 익형 유동장을 해석하였다.
본 연구에서는 위에서 언급한 정상유동에 기반을 둔 난류 모델들과 다른, 비정상 난류 모델을 이용하여 익형 주위 유동을 해석하고자 한다. 높은 받음각을 갖는 익형의 높은 Reynolds 수 (high Reynolds number) 비정상 유동을 해석하기 위해 Spalart-Allmaras DES (Detached Eddy Simulation) (Spalart, 1992)을 사용하였다.

제안 방법

벽면으로부터 첫 격자점이 y+≈1이 되도록 격자 위치를 수정하였다. 격자에 따라 수치해석 결과가 영향을 받지 않도록 격자수와 밀집 정도 등을 수정하였다. 최종적으로 약 250만개의 셀(cell)을 사용하였으며, 격자 형성을 용이하게 하고 계산의 정확성을 위해 정렬 및 비정렬 격자를 혼용하였다.
0 ×10⁶ 이 되도록 속도를 지정하였다. 난류 경계층 유동의 정확한 해석을 위해 경계층 내에 충분한 격자를 배치하였다. 벽면으로부터 첫 격자점이 y+≈1이 되도록 격자 위치를 수정하였다.
이것은 유동의 난류 전단응력 수송(transport of turbulent shear stress)을 고려하지 않은 것이 주 요인이다. 이러한 문제를 해결하고자 난류점성 관계식에 제한자(limiter)를 두어 적절한 난류전단응력의 수송 거동을 모사하게 되었다. 이렇게 발전된 SST 모델(Shear-Stress Transport model) (Menter, 2003)은 역압력 구배가 있는 유동, 익형 유동, 충격파가 있는 유동 등 다양한 유동장에서 신뢰성 있는 결과를 보여 주었다.
DES 모델은 RANS 방정식을 사용하는 방법과 와(eddy)의 비정상 발달을 포착하는 LES (Large Eddy Simulation) 방법을 결합한 것이다. 익형의 경계층과 같이 벽(airfoil surface)에 인접한 곳은 와의 크기가 작고 정상유동에 가까운 유동 특성을 갖는 영역으로 SA 및 SST 모델을 사용한 RANS 방정식으로 해석을 하고, 벽으로부터 멀리 떨어진 경계층 바깥 및 박리영역 등 와의 회전유동이 지배적인 비정상 난류유동 영역에서는 LES 모델을 이용하여 유동을 해석한다. 본 연구에서는 벽면 가까이 SA 모델을 사용하였다.
정확한 해석을 위하여 유동장이 충분히 발달한 이후부터 시작하여 유동이 익형길이를 지나가는 시간보다 충분히 긴 시간동안 익형의 양력계수를 기록하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 연구에서 사용된 NACA 0021 익형의 3차원 형상을 보여주고 있다. 이 익형은 상하 대칭이며, 익형 전단(leading edge)에서 익형 길이(c, chord length) 방향으로 30% 위치에서 두께가 익형 길이의 21%가 된다.
격자에 따라 수치해석 결과가 영향을 받지 않도록 격자수와 밀집 정도 등을 수정하였다. 최종적으로 약 250만개의 셀(cell)을 사용하였으며, 격자 형성을 용이하게 하고 계산의 정확성을 위해 정렬 및 비정렬 격자를 혼용하였다.

데이터처리

선행연구에서 정상 난류모델을 사용하여 높은 받음각의 NACA 0021 익형의 양력을 실험 결과(Sheidahl, 1981)와 비교하였다. BSL k-ω, SST 그리고 SA 모델 모두 받음각 12°까지 실험결과와 좋은 비교를 보였다.
이와 같이 Fig. 6은 Spalart-Allmaras DES 난류모델을 이용하여 높은 받음각을 갖는 NACA 0021 주위의 유동장에서 발생하는 비정상 난류 유동을 해석하고, 시간평균에 의하여 양력계수(Fig. 6a) 및 항력계수(Fig. 6b)를 실험결과(Sheidahl, 1981) 및 정상 난류모델 (SA 및 SST 난류모델) 결과(Kim, 2016)와 비교하였다.

이론/모형

높은 받음각을 갖는 익형의 높은 Reynolds 수 (high Reynolds number) 비정상 유동을 해석하기 위해 Spalart-Allmaras DES (Detached Eddy Simulation) (Spalart, 1992)을 사용하였다.
익형의 경계층과 같이 벽(airfoil surface)에 인접한 곳은 와의 크기가 작고 정상유동에 가까운 유동 특성을 갖는 영역으로 SA 및 SST 모델을 사용한 RANS 방정식으로 해석을 하고, 벽으로부터 멀리 떨어진 경계층 바깥 및 박리영역 등 와의 회전유동이 지배적인 비정상 난류유동 영역에서는 LES 모델을 이용하여 유동을 해석한다. 본 연구에서는 벽면 가까이 SA 모델을 사용하였다.

성능/효과

BSL k-ω, SST 그리고 SA 모델 모두 받음각 12°까지 실험결과와 좋은 비교를 보였다.
SST 와 SA 난류모델 같은 정상 난류모델을 이용한 해석은 받음각이 낮은 익형 주위 유동의 경우 실험과 좋은 비교를 보였지만, 받음각이 큰 경우는 실험결과와 상당한 차이를 보였다. 본 연구에서 사용한 Spalart-Allmaras DES 난류모델을 이용한 해석결과는 큰 받음각을 갖는 익형 주위 비정상 유동에서 익형의 양력 및 항력계수가 실험결과와 좋은 비교를 보이며, 상당히 개선된 예측결과를 보여주었다.
위의 결과를 통하여 볼 때 본 연구에서 사용한 SpalartAllmaras DES 난류모델은 높은 받음각을 갖는 익형 주위의 비정상 난류 유동과 양력 및 항력 등의 성능을 비교적 잘 예측하며, SST 및 SA 정상 난류모델들과 비교하였을 때 상대적으로 개선된 결과를 보여주었다.
이 모델은 기존 Wilcox의 k-ω 모델보다 강건하고 안정적이게 되었다.
이에 비하여 본 연구에서 사용한 Spalart-Allmaras DES 난류모델을 이용한 해석결과에서는 받음각 20°에서 실험결과와 같이 양력의 급격한 감소가 발생하지 않았고 받음각 30°에서도 유동박리에 의한 과도한 양력계수의 감소도 일어나지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대부분 비행기의 실속(stall)조건은?	대부분의 비행기 날개는 받음각 10°~15° 사이에서 유동제어장치(flow control system) 및 고양력 장치(high lift device)가 없으면 흔히 실속(stall)에 빠진다. 익형의 양력계수 CL (lift coefficient)는 흔히 이 범위의 임계 받음각(critical angle-of-attack)에서 최대가 된다.
	FLUENT는 어떤 프로그램인가?	본 연구에서 사용한 FLUENT는 질량, 운동량, 에너지 그리고 화학종 보존 방정식 등을 사용하여 정상 및 비정상, 층류 및 난류, 비압축성 혹은 압축성 유동, 열전달 및 다상유동 등 다양한 유동 해석을 위한 범용 CFD(computational fluid dynamics) 소프트웨어이다(Kim, 2015).
	항공기 설계 및 운용에서 공기역학적 특성을 정확히 예측하는 것이 중요한 이유는?	항공기 날개(wing) 및 회전익 로터(rotor) 등의 공기역학적 특성(aerodynamic characteristics)을 정확히 예측하는 것은 항공기 설계 및 운용 단계에서 핵심기술이다. 이것은 항공기 주구조(primary structure)가 수명기간(lifetime)동안 안전하게 유지되기 위해 요구되는 강도(strength) 및 피로저항(fatigue resistance)을 결정하는 핵심 인자이다. 특히 항공기 날개 및 로터의 성능(performance)과 각 부분(section)의 단면 형상을 이루는 익형(airfoil)의 공기역학적 성능(aero-dynamic performance)은 밀접한 관계를 가지며, 보다 나은 성능 확보를 위하여 여러 형태의 익형이 개발되어 사용되고 있다(Abbott, 1959).

참고문헌 (9)

Abbott, I. H., and Doenhoff, A. E., "Theory of Wing Sections", 1959, Dover Publications, Inc. NewYork.
Wolfe, W. P., and Ochs, S. S., "Predicting Aerodynamic Characteristics of Typical Wind Turbine Airfoils using CFD", 1992, SANDIA REPORT, Sandia National Laboratories
Kim, S. D., "A numerical study on the flowfield of a cyclone separator for oil droplets", The Korean Society for Aviation and Aeronautics, 23(4), 2015, pp. 38-43.
Kim, S. D., "A numerical study on the flowfield around a NACA 0021 airfoil at angles of attack", The Korean Society for Aviation and Aeronautics, 24(4), 2016, pp. 20-25.
Spalart, P., and Allmaras, S., "A one-equation turbulence model for aerodynamic flows", Technical Report AIAA-92-0439, American Institute of Aeronautics and Astronautics 1992.
Menter, F. R., "Two-equation eddy- viscosity turbulence models for engineering applications", AIAA Journal, 32(8), 1994, pp. 1598-1605.

상세보기
Menter, F. R., Kuntz, M., and Langtry. R., "Ten Years of Experience with the SST Turbulence Model", Turbulence, Heat and Mass Transfer, Begell House Inc. 2003, pp. 625-632.
Spalart, P. R., Jou, W., Strelets, M., and Allmaras, S. R., "Comments on the feasibility of LES for wings and on a hybrid RANS/LES approach", 1997, In Advances in DNS/LES, ed. Columbus, OH: Greyden Press, pp. 137-147.
Sheidahl, R. E., and Klimas, P. C., "Aerodynamic Characteristics of Seven Symmetric Airfoil Sections Through 180-Degree Angle of Attack", SANDBO-2114, Sandia National Laboratories, 1981, pp. 60-62.

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