[논문]에어포일의 결빙에 의한 실속 및 항력 특성 변화에 관한 CFD 해석

정성기; 신성민; 명노신; 조태환

[국내논문] 에어포일의 결빙에 의한 실속 및 항력 특성 변화에 관한 CFD 해석
A CFD ANALYSIS ON EFFECTS OF ICE ACCRETIONS ON CHARACTERISTICS OF STALL AND DRAG IN AIRFOIL AERODYNAMICS 원문보기

정성기 (경상대학교 기계항공공학부) , 신성민 (경상대학교 기계항공공학부) , 명노신 (경상대학교 기계항공공학부 및 항공기부품기술연구소) , 조태환 (경상대학교 기계항공공학부 및 항공기부품기술연구소)

The aerodynamic performance of aircraft in icing condition can deteriorate considerably by contamination of aerodynamic and propulsive systems due to icing accretions on aircraft surfaces. A computational analysis based on the Eulerian description was performed on an airfoil to investigate effects of ice accretions on airfoil aerodynamics. A water droplet with liquid water concentration ($0.00075kg/m^3$) and mean volume diameter ($20{\mu}m$) was considered and applied to various angles of attack to investigate the stall angle decrease and the drag increment.

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문제 정의

한평 국내에서는 결빙현상 연구를 위한 실규 시설 건설과 운용비로 인해 관련 연구 및 시험 인프라가 취약한 실정이다[7,8]. 본 연구에서는 기존의 실험을 통해 구축된 참고 자료를 기반으로 CFD 수치해석 기법에 기초한 결빙현상 분석용 전산코드를 단순 형상에 적용하여 해석하고 그 가능성을 점검하였다.

제안 방법

그와 반면 Rime 결빙은 매우 낮은 대기 온도에서 방생하는 것으로, 액적이 자유류를 따라 움직이는 과정에서 물체와 충돌하는 순간 결빙됨으로 전단력과 Heat Flux의 영향을 고려되지 않는다. 본 연구에서는 Glaze 결빙에 대한 수치적 계산을 수행하였으며, 액적이 물체에 부착되어 결빙이 증식되는 과정은 다음 연속방정식과 에너지 방정식으로 표현된다.
3. 해석 결과

결빙시 에어포일에 대한 공력특성을 조사하기 위해 대상모델로서 NACA0015를 선정하였으며, 결빙 조건으로 Glaze결빙을 선정하여 수치 계산을 수행하였다. 계산을 위한 조건은 Table 1에 제시하였으며, 계산을 위한 격자수 약5만개, C타입 비정렬 격자를 사용하였다.
계산을 위한 조건은 Table 1에 제시하였으며, 계산을 위한 격자수 약5만개, C타입 비정렬 격자를 사용하였다. 또한 받음각에 따른 공력특성을 조사하기 위해 0도에서 20도까지 4도 간격으로 받음각을 변화시키며 계산을 수행하였다.
Glaze 결빙에 대한 수치 계산을 위해 우선 Clean 에어포일 주위의 유동장을 계산하였으며, 획득된 변수를 이용하여 액적 계산을 수행하였다. 또한 액적 계산을 통해 축적율과 결빙 증식을 계산하고 변형된 형상에 대한 격자 재생성 및 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)를 시간 간격에 따라 순차적으로 수행하였다.
Glaze 결빙에 대한 수치 계산을 위해 우선 Clean 에어포일 주위의 유동장을 계산하였으며, 획득된 변수를 이용하여 액적 계산을 수행하였다. 또한 액적 계산을 통해 축적율과 결빙 증식을 계산하고 변형된 형상에 대한 격자 재생성 및 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)를 시간 간격에 따라 순차적으로 수행하였다. 결빙은 받음각에 따라 에어포일의 앞전에서 아랫면으로 진행하였으며, 해석 결과 순수한 에어포일 대비 결빙에어포일의 실속각은 약 50% 감소하였으며 항력은 최대 300% 증가하였다.

대상 데이터

결빙시 에어포일에 대한 공력특성을 조사하기 위해 대상모델로서 NACA0015를 선정하였으며, 결빙 조건으로 Glaze결빙을 선정하여 수치 계산을 수행하였다. 계산을 위한 조건은 Table 1에 제시하였으며, 계산을 위한 격자수 약5만개, C타입 비정렬 격자를 사용하였다. 또한 받음각에 따른 공력특성을 조사하기 위해 0도에서 20도까지 4도 간격으로 받음각을 변화시키며 계산을 수행하였다.

이론/모형

액적량은 자유류의 단위 체적당 포함된 액적의 질량을 나타내며 평균체적지름은 공기 중의 액적의 직경을 나타낸다. 이러한 인자를 기반으로 결빙 증식에 의한 공력 영향성은 Lagrangian 방식 또는 Eulerian 방식으로 분석할 수 있다. Lagrangian 방식의 경우 계산시간이 Eulerian 방식에 비해 상당히 적게 소요되는 반면, 복잡한 삼차원 형상에 대한 결빙 해석의 경우 어려움이 존재한다.
Lagrangian 방식의 경우 계산시간이 Eulerian 방식에 비해 상당히 적게 소요되는 반면, 복잡한 삼차원 형상에 대한 결빙 해석의 경우 어려움이 존재한다. LEWICE가 Lagrangian 방식에 기초한 대표적 결빙 계산 및 공력 영향성 분석 코드이며, 본 연구에서는 Eulerian 방식에 기초한 FENSAP-ICE 전산코드를 적용하였다[9]. 계산시간이 많이 소요되는 반면 복잡한 형상에 대한 적용할 수 있는 장점이 존재하여, 장기적으로 전산코드에 의한 비행중 결빙 인증이 가능할 것으로 판단하였기 때문이다.
본 연구에서 사용된 유동장 계산 모델로는 점성, 압축성 효과를 고려한 Navier-Stokes 방정식을 이용하였으며, 난류 모델로는 Spalart-Allmaras 모델을 사용하였다. 또한 액적궤적 계산을 위해 아래의 액적에 대한 연속 방정식과 운동량 방정식을 이용하였다.
본 연구에서 사용된 유동장 계산 모델로는 점성, 압축성 효과를 고려한 Navier-Stokes 방정식을 이용하였으며, 난류 모델로는 Spalart-Allmaras 모델을 사용하였다. 또한 액적궤적 계산을 위해 아래의 액적에 대한 연속 방정식과 운동량 방정식을 이용하였다.
유동장 및 액적 궤적 계산을 위한 기본 수치기법으로 유한요소법이 이용되었다.
는 매개변수로서 결빙 조건에 의해 결정된다. 결빙 증식을 계산하기 위한 수치기법으로는 유한체적법이 이용되었다.

성능/효과

5가 동일하게 특정 받음각 이후 유동 박리로 인한 양력 감소 및 항력 증가를 나타내었다. 특히 순수한 에어포일 대비 결빙 에어포일의 경우 실속이 상대적으로 낮은 받음각에서 발생하며 양력이 일정한 크기를 가지는 반면 항력은 급격히 증가하는 경향을 나타내었다.
또한 액적 계산을 통해 축적율과 결빙 증식을 계산하고 변형된 형상에 대한 격자 재생성 및 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)를 시간 간격에 따라 순차적으로 수행하였다. 결빙은 받음각에 따라 에어포일의 앞전에서 아랫면으로 진행하였으며, 해석 결과 순수한 에어포일 대비 결빙에어포일의 실속각은 약 50% 감소하였으며 항력은 최대 300% 증가하였다. 향후 복잡한 삼차원 항곡기 형상에 대한 결빙 연구를 진행 할 예정이다.

후속연구

결빙은 받음각에 따라 에어포일의 앞전에서 아랫면으로 진행하였으며, 해석 결과 순수한 에어포일 대비 결빙에어포일의 실속각은 약 50% 감소하였으며 항력은 최대 300% 증가하였다. 향후 복잡한 삼차원 항곡기 형상에 대한 결빙 연구를 진행 할 예정이다.

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