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제안 방법
- 그러한 방법들은 후류에 아랫방향의 속도를 주거나 블레이드를 상승시키는 방법, 처음 1회전 까지는 상승 시켰다가 다시 제자리비행으로 전환하는 방법 등이 있어왔다[6]. 그중 본 연구에서 사용된 후류에 대한 방법은 Tip 마하수의 3%를 blade의 상승속도로 주었다. Fig.
- 계산영역으로 정하였다. 깃끝 와류를 잘 포착하고 확산을 감소시키기 위해 반경방향으로 깃끝 부근에 격자를 밀집시켰다. Fig.
- 공력해석기법에 의한계산결과와 기존실험결과의 압력분포가 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 최적화기법으로는 실험계획법과반응표면모델을 구성 하였고 Taper ratio 값이 1인 NACA0012 단면을 가진 로터 블레이드에 적용하여 최적화 과정을 통해초기 날개에 비해 약 17%의 요구동력이 감소하고 추력상승효과도 볼 수 있는 최적화된 형상의 로터 블레이드를 설계하였다.
- Navier-Stokes[9, 10] 유동해석을 수행하였다. 로터 주위의 회전 유동장을 회전좌표계를 사용하여 정상상태의 유동으로 해석하였다. 로터의 유동장은 혼합조(mixing tank)와 같이 로터만 회전하고 외부 경계는 균일하므로 단일회전기준계를 사용하였다.
- 로터 주위의 회전 유동장을 회전좌표계를 사용하여 정상상태의 유동으로 해석하였다. 로터의 유동장은 혼합조(mixing tank)와 같이 로터만 회전하고 외부 경계는 균일하므로 단일회전기준계를 사용하였다. 외재적 시간적분(explicit time integration) 및이차의 풍상차분법(2nd-order upwind scheme)을 이용한 공간이산화와 1 방정식 Spalart- Allmaras 난류모델을 사용하였다.
- 외부흐름의 경우에 유동영역은 물체의 표면과 무한대 조건에 의해 결정된다. 물체 표면에서는 접선 방향 흐름의 경계조건, 무한대에서는 교란 포텐셜[5]을 영으로 하는 조건을 적용하였다. 물체의 비정상 유동은 자유 후류를 이용한 시간영역 패널법을 사용하여 비정상 유동을 해석하는 방법을 사용하였다.
- 본 연구를 통하여 정지 비행시 작은 동력으로 주어진 중량의 헬리콥터를 비행시킬 수 있는 효율적인 로터 블레이드를최적화 기법을 통하여 설계 하였다. 공력해석기법으로는 Source & Doublet을 기반으로 하는 패널기법과 Navier- Stokes 방정식을 이용한 Fluent를 사용하였다.
- 필요한 동력을 줄이기 위해서는 로터의 안쪽(inboard)에서 많은 추력을 발생시키고, 바깥쪽(outboard)에서는 받음각을 줄이고 넓이를 줄여 형상항력 (profile drag)를 감소시켜 준다면 상대적으로 작은 동력으로 동일한 추력을 발생시킬 수 있을 것이다. 이러한 관점에서 설계변수를 비틀림 각(twist angle)과 테이퍼(taper ratio)를 선택하였다. 최적설계 해야 할 초기형상은 NACA0012익형의 받음각 8도 비틀림 각{twist angle) -6도, 테이퍼 비(taper ratio) 1인 블레이드의 2차원 양력 곡선의 기울기와 로터 팁(rotor tip)에서의 속도를 이용하여 추력계수(Cr)를 구했고, 이 값을 이용하여 동력계수(Cq) 계산하여 초기형상을 결정하였다.
- 로터 블레이드주위의 공력 특성을 예측하기 위해용출(source)과 용흡중첩(doublet)을 기반으로 하는 패널기법[1] 과 Navier-Stokes 방정식을 이용한 Fluent[2]를 사용하여 수치해석 기법을 정립 하다. 정지비행시 공력 특성을 Caradonna 와 Tung에 의한 실험결과[3]와 비교 하여 타당성을 고찰하였다. 최적설계기 법으로는 실험 계획법과 반응표면기 법을 연계하여 사용하였다.
- 정지비행에 대한 헬리콥터 로터 블레이드의 공기역학적 특성을 기존의 풍동실험결과[3]와 비교해 보았다. Table 1은 실험에 사용되어진 로터 블레이드의 제원이다.
- 이러한 관점에서 설계변수를 비틀림 각(twist angle)과 테이퍼(taper ratio)를 선택하였다. 최적설계 해야 할 초기형상은 NACA0012익형의 받음각 8도 비틀림 각{twist angle) -6도, 테이퍼 비(taper ratio) 1인 블레이드의 2차원 양력 곡선의 기울기와 로터 팁(rotor tip)에서의 속도를 이용하여 추력계수(Cr)를 구했고, 이 값을 이용하여 동력계수(Cq) 계산하여 초기형상을 결정하였다. 그리고 최적화 알고리즘을 적용하기 위하여 설계변수의 범위를 Table 2와 같이 설정하였다.
- 정지비행시 공력 특성을 Caradonna 와 Tung에 의한 실험결과[3]와 비교 하여 타당성을 고찰하였다. 최적설계기 법으로는 실험 계획법과 반응표면기 법을 연계하여 사용하였다. 실험계획법으로는 지evel factorial^]을 사용하였으며 계산결과 초기 날개에 비해 약 17%의 요구동력의 감소와 추력상승의 효과를 볼 수 있었다.
대상 데이터
- 따라서 헬리콥터 운용시경제성을 가지기 위해서는 작은 동력으로 주어진 중량의 헬리콥터를 비행시킬 수 있는 로터의 설계가 필요하다. 본 연구에 사용된 헬리콥터는 산업용 경헬기로 정지 비행을 주로 하는 헬리콥터로서 정지비행시 가장 효율적인 로터 블레이드설계가 필요하다. 로터 블레이드의 설계를 위해서는 정확한 공력해석기법의 정립이 선행되어야 하고, 이 검증된 해석기법을 바탕으로 최적형상을 찾아내는 설계최적화 과정을 반드시 거쳐야한다.
이론/모형
- 공력해석기법으로는 Source & Doublet을 기반으로 하는 패널기법과 Navier- Stokes 방정식을 이용한 Fluent를 사용하였다. 공력해석기법에 의한계산결과와 기존실험결과의 압력분포가 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
- 로터 블레이드의 설계를 위해서는 정확한 공력해석기법의 정립이 선행되어야 하고, 이 검증된 해석기법을 바탕으로 최적형상을 찾아내는 설계최적화 과정을 반드시 거쳐야한다. 로터 블레이드주위의 공력 특성을 예측하기 위해용출(source)과 용흡중첩(doublet)을 기반으로 하는 패널기법[1] 과 Navier-Stokes 방정식을 이용한 Fluent[2]를 사용하여 수치해석 기법을 정립 하다. 정지비행시 공력 특성을 Caradonna 와 Tung에 의한 실험결과[3]와 비교 하여 타당성을 고찰하였다.
- 로터 유동장 해석에 사용한 범용 CFD Software는 FLUENT V6|7]로서, 셀 중심 유한체적법(cell-centered finite volume method) 기반의 압축성 흐름해법(coupled solver) 을 사용하여 Euler[8]와 Navier-Stokes[9, 10] 유동해석을 수행하였다. 로터 주위의 회전 유동장을 회전좌표계를 사용하여 정상상태의 유동으로 해석하였다.
- 물체 표면에서는 접선 방향 흐름의 경계조건, 무한대에서는 교란 포텐셜[5]을 영으로 하는 조건을 적용하였다. 물체의 비정상 유동은 자유 후류를 이용한 시간영역 패널법을 사용하여 비정상 유동을 해석하는 방법을 사용하였다.
- 외재적 시간적분(explicit time integration) 및이차의 풍상차분법(2nd-order upwind scheme)을 이용한 공간이산화와 1 방정식 Spalart- Allmaras 난류모델을 사용하였다. 시간절약을 위해 3 수준의 다중격자기법(multi-grid scheme)을 사용하였고, 1회의 residual smoothing을 하였다.
- 실험계획법 중 지evel factorial을 사용하여 총 9개의 설계점을 선정하였다. 3-level factorial은 모든 요소를 포함하기 때문에 하나의 잘못된 데이터가 전체 반응면에 큰 영향을 미치지 못한다.
- 로터의 유동장은 혼합조(mixing tank)와 같이 로터만 회전하고 외부 경계는 균일하므로 단일회전기준계를 사용하였다. 외재적 시간적분(explicit time integration) 및이차의 풍상차분법(2nd-order upwind scheme)을 이용한 공간이산화와 1 방정식 Spalart- Allmaras 난류모델을 사용하였다. 시간절약을 위해 3 수준의 다중격자기법(multi-grid scheme)을 사용하였고, 1회의 residual smoothing을 하였다.
- 최적화[11] 알고리즘은 반응표면법을 사용하였다. 반응표면법은 설계공간에 노이즈(noise)가 많은 경우에 전역 최적 해를 찾기에 적합한 방법이다.
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2.1 패널기법
패널코드는 용출(source)과 용흡중첩(doublet)을 이용한 비점성, 비압축성 Laplace 방정식[1]을 포텐셜 유동에 대한 지배방정식으로 사용 하였다. Laplace 지배방정식은 적절한 경계조건을 적용함으로써 풀이 될 수 있다.
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