[논문]항공기 포드 냉각용 공기흡입관 내부 유동해석

김선태; 정용인; 조승호; 문우용; 강인모

항공기 포드 냉각용 공기흡입관 내부 유동해석
THE INTERNAL FLOW ANALYSIS OF AIR INTAKE FOR THE COOLING OF AIRCRAFT POD 원문보기

김선태 (국방과학연구소) , 정용인 (삼성탈레스) , 조승호 (삼성탈레스) , 문우용 (삼성탈레스) , 강인모 (국방과학연구소)

In this paper, the aerodynamic shape of air intake was investigated for the efficient cooling of electronic equipments in aircraft pod. As a first step, ESDU method was applied for the basic shape design of air intake considering the operational environments. The second step was to confirm the performance on design point, so the internal flow field of air intake was analyzed using a commercial Navier-Stokes code(FLUENT). And also the aerodynamic characteristics of internal flow at off-design condition was investigated with the variations of airflow rate. The results show that the air intake meets the requirement of target performance under the mission environments.

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문제 정의

또한, 설계된 공기흡입관의 공력특성을 분석하기 위해서 상용 유동해석 프로그램인FLUENT를 이용하여 Navier-Stokes 방정식 수치해석을 수행하였다. 공기흡입관 내부 유동해석을 통해 설계점에서의 공력특성을 확인하였으며, 탈설계점에서의 공력 및 유동특성 변화를 분석하고 검증함으로써, 설계목표 성능을 만족하는 냉각용 공기흡입관을 설계하고자 하였다.
본 연구를 통해 항공기의 임무환경조건하에서 목표성능을 만족하는 냉각용 공기흡입관을 설계하고 그 설계 결과를 확인하였다.
본 연구에서는 비행조건 및 운용환경으로부터 설계조건을 도출하고 ESDU(Engineering Science Data Unit)의 데이터를 이용하여 공기 흡입관의 공력 형상설계를 수행하였다. ESDU는 항공분야의 공력설계에 필요한 광범위한 범위의 검증된 공력 데이터베이스를 제공함으로 효율적으로 사용하면 설계시간과 비용을 줄일 수 있다[4].

제안 방법

ESDU 데이터를 이용하여 공기흡입관을 설계하였으며, 흡입관 내부형상에 대한 유동해석을 통하여 공기흡입관의 성능을 검증하고 내부 유동장 특성을 분석하였다. 설계된 공기흡입관은 설계쩜에서 높은 효율의 성능을 보였으며, 탈설계점에서도 목표성능의 효율을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
경계조건은 입구의 대기압 및 출구에서 목표하는 유량조건을 만족시키기 위해 입구는 Pressure Inlet 조건을, 출구에서는 Pressure Outlet 조건으로 Target Mass Flow를 설정하였다. 도메인의 계산격자 및 경계조건은Fig.
설계된 공기흡입관은 설계쩜에서 높은 효율의 성능을 보였으며, 탈설계점에서도 목표성능의 효율을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 유동의 균일성과 유동왜곡 현상을 분석하여 공기흡입관의 유동 안정성을 확인하였다.
비행조건 및 운용환경을 기준으로 하여 공기흡입관의 해석조건을 설정하였으며, 비행기동 및 운용환경의 변화를 고려하여 설계점 외 ±10%의 탈설계점에 대한 해석을 수행하고 각 조건에서의 성능변화를 확인하였다(ISA 기준).
이 예측방법은 아음속의 해석에 적합한 방법으로 준 경험적인 데이터를 제공한다. 압력회복이 상대적으로 우수한 Scoop Inlet형상[Fig. 1 참조]을 기본형상으로 하고, ESDU의 데이터를 기반으로 하여 흡입관의 형상을 설계하였다. 램 압력 효율은 0.
2에 도시한 바와 같으며, 형상을 결정하는 주요 매개변수들의 값은 다음과 같다. 여기에서 각 변수들의 값은 Throat Plane의 직경을 단위 길이로 무차원화하였다.

데이터처리

ESDU는 항공분야의 공력설계에 필요한 광범위한 범위의 검증된 공력 데이터베이스를 제공함으로 효율적으로 사용하면 설계시간과 비용을 줄일 수 있다[4]. 또한, 설계된 공기흡입관의 공력특성을 분석하기 위해서 상용 유동해석 프로그램인FLUENT를 이용하여 Navier-Stokes 방정식 수치해석을 수행하였다. 공기흡입관 내부 유동해석을 통해 설계점에서의 공력특성을 확인하였으며, 탈설계점에서의 공력 및 유동특성 변화를 분석하고 검증함으로써, 설계목표 성능을 만족하는 냉각용 공기흡입관을 설계하고자 하였다.

이론/모형

흡입관 내부유동의 공력특성 및 성능을 검증하기 위하여3차원 Navier-Stokes 방정식을 이용한 상용 전산 유체 해석 코드인 FLUENT를 사용하여 내부 유동해석을 수행하였다. 난류현상에 대한 수치기법으로는 Spalart-Allmaras 모델을 이용하였다. 일반적으로 S-A 난류모델은 1-eq.
흡입관 내부유동의 공력특성 및 성능을 검증하기 위하여3차원 Navier-Stokes 방정식을 이용한 상용 전산 유체 해석 코드인 FLUENT를 사용하여 내부 유동해석을 수행하였다. 난류현상에 대한 수치기법으로는 Spalart-Allmaras 모델을 이용하였다.

성능/효과

ESDU 데이터를 이용하여 공기흡입관을 설계하였으며, 흡입관 내부형상에 대한 유동해석을 통하여 공기흡입관의 성능을 검증하고 내부 유동장 특성을 분석하였다. 설계된 공기흡입관은 설계쩜에서 높은 효율의 성능을 보였으며, 탈설계점에서도 목표성능의 효율을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 또한 유동의 균일성과 유동왜곡 현상을 분석하여 공기흡입관의 유동 안정성을 확인하였다.
6과 7은 각각 공기흡입관의 정압력 분포와 마하수 분포를 도시한 것이다. 흡입구부터 출구까지의 압력분포와 속도분포를 살펴보면 90도 굽은 부분을 포함한 전체영역에서 유동박리와 같은 급격한 유동현상은 발생하지 않으며, 설계점을 기준으로 하여 10%의 공기유량 변화는 흡입관내의 유동에 큰 변화를 야기하지 않는 것을 확인할 수 있다.

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