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문제 정의
- (1) 본 연구에서는 CFD를 통해 부스만 효과를 확인하고, 익형을 수정하여 차세대 항공기에 적합한 익형을 제안해 보기로 한다.
- 본 연구에서는 전산 유체역학 프로그램 중 하나인 EDISON_CFD를 이용하여 부스만형 복엽기의 항력계수를 일반적으로 사용되는 다이아몬드형 익형과 비교해보고 부스만 효과를 확인하였으며 공력성능을 더 향상시키기 위한 방법을 연구하였다. 부스만 복엽기는 2개의 날개 요소로부터 충격파와 팽창파가 서로 상쇄효과를 일으키면서 충격파에 의한 조파항력을 줄일 수 있는 복엽형태의 익형으로 이를 Fig.
제안 방법
- 이렇게 한다면 두 익형 사이의 목이 넓어지므로 질식유동을 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 이와 함께 일정 마하수에서 부스만 효과를 낼 수 있도록 설계를 하였다. 이렇게 새로 설계한 익형의 형상은 Fig.
- 마하수 1.7 이전의 항력계수를 줄일 수 있는 방법을 찾기 위해 똑같은 형상의 익형에서 사이간격만을 88% 증가시켜, 마하수 1.3에서 부스만 효과가 나타날 수 있는 익형을 설계하였다. 이 익형의 격자계를 Fig.
- 부스만 익형과 다이아몬드 익형의 비교를 위해서 마하수와 쐐기각을 이용해 충격파각을 구할 수 있는 θ-β-M 관계식1)을 적용하였다.
- 부스만 익형은 설계 마하수에서 충격파와 팽창파의 상쇄효과를 이용한 익형으로 전산유체해석프로그램인 EDISON_CFD를 이용하여 수치해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻어내었다.
- 따라서 초음속 운송용 항공기에 사용할 수 있도록 낮은 마하수부터 설계 마하수까지 낮은 항력계수 값을 갖도록 하기 위해서는 질식유동을 해결해야만 한다. 이 문제점을 해결하기 위한 익형으로 기존 부스만 익형을 자른 형태의 새로운 복엽 익형을 설계하였다. 이렇게 한다면 두 익형 사이의 목이 넓어지므로 질식유동을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
- 부스만 익형과 다이아몬드 익형의 비교를 위해서 마하수와 쐐기각을 이용해 충격파각을 구할 수 있는 θ-β-M 관계식1)을 적용하였다. 이 식을 이용하여 설계 마하수 1.7의 부스만 익형을 설계하고, 현재 일반적으로 많이 쓰이는 형태인 다이아몬드 형태의 익형을 부스만 익형과 같은 두께로 설계하였다. 이렇게 설계된 익형들은 Re=1.
- 이 익형은 이론적인 계산으로 마하수 1.3에서 경사충격파 각이 약 62°로 발생하여 부스만 효과를 나타낼 수 있도록 윗 날개와 아랫 날개 사이의 간격을 정하였다.
- 이렇게 설계된 익형들은 Re=1.1×107 조건 하에서 마하수 0.3~3.0 까지 해석을 수행하고 항력특성을 비교 분석하였다.
- 질식유동으로 인해서 마하수 1.5까지는 부스만 익형의 항력계수 값이 낮아지지 않는 점을 앞선 2가지 모델의 해석으로 확인을 하였다. 따라서 초음속 운송용 항공기에 사용할 수 있도록 낮은 마하수부터 설계 마하수까지 낮은 항력계수 값을 갖도록 하기 위해서는 질식유동을 해결해야만 한다.
이론/모형
- 부스만 익형의 격자는 5개의 멀티 블럭을 이용하여 총 21만 여개의 격자점으로 구성되었으며, 다이아몬드 익형은 2개의 멀티 블럭을 이용하여 총 19만 여개의 격자점으로 이루어져 있다. 유동조건은 각 모델의 조파항력을 비교하기위해서 Inviscid flow를 선택했고 수치기법으로는 AUSMPW+를 선택했다. 이는 초음속영역에서 경사충격파의 정확도가 기존에 비해 향상시켰으며, Roe’s FDS와 AUSM에서 관찰되던 비 물리적인 현상인 팽창충격파를 제거함과 동시에 마하수 내삽함수를 간단히 하여, 효율성을 높인 수치기법이다.
성능/효과
- 1에 간략히 도시하였다.(2) 부스만 익형의 특성상 일정 마하수에서 충격파-팽창파 상쇄효과로 항력계수가 매우 감소하게 된다. 부스만 익형과 다이아몬드 익형의 비교를 위해서 마하수와 쐐기각을 이용해 충격파각을 구할 수 있는 θ-β-M 관계식1)을 적용하였다.
- 1. 부스만 익형은 설계 마하수에서 충격파와 팽창파의 상호작용으로 인한 Wave-cancelation이 발생하면서 항력계수 값이 다이아몬드 익형의 10% 수준으로 낮아진다.
- 2. 설계 마하수에 도달하기 전 낮은 마하수의 탈 설계조건에서 부스만 익형의 항력계수 값은 매우 높은 경향을 보였는데 이는 질식유동 때문임을 확인 할 수 있었다.
- 이는 부스만 익형의 목에서 질식유동(choked flow)이 발생하는 것으로 볼 수 있다.3) 이 질식유동은 마하수가 증가함에 따라 점점 발달되는 것을 볼 수 있으며 마하수가 1.1을 넘어가면서부터는 앞전부분에서 궁형 충격파(bow shock)가 발생하기 시작하는 것을 볼 수 있다. 이를 통해서 설계 마하수보다 낮은 마하수에서 항력이 높은 이유를 설명 할 수 있다.
- 3. 부스만 익형의 튀어나온 부분을 자른 형상으로 마하수 2.0을 기준으로 설계된 부스만_컷 익형은 기본 부스만 익형과 비교하였을 때 질식유동에 의한 영향을 줄임으로서 아음속영역에서 기존 부스만 익형보다 항력계수를 50%정도 감소 시켰다.
- 4. 부스만_컷 익형의 항력계수는 익형의 목 부분에서 충격파의 반사가 일어나는 마하수 1.7~1.9 구간을 제외하고 전 마하수 구간에서 기존 부스만 익형보다 낮은 항력계수 값을 얻을 수 있었다.
- 각 마하수 별 압력 곡선을 확인함으로써 마하수 0.5부터 부스만 익형 사이에서 압력이 낮은 부분이 마하수 0.8까지 점점 증가하여, 항력이 최대가 되는 마하수 0.8에서 저압부 면적 역시 최대가 되는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 부스만 익형의 목에서 질식유동(choked flow)이 발생하는 것으로 볼 수 있다.
- 3에서 부스만 효과가 생기지 않고 궁형 충격파가 생긴 것을 볼 수 있다. 궁형 충격파는 마하수 1.5에 도달해서야 없어지지만 설계마하수를 벗어난 마하수 상태로 부스만 효과가 제대로 일어나지 않아 항력계수 값이 상대적으로 높으며, 약간의 마하수 증가에도 항력계수가 바로 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 7에 그래프로 비교 하였다. 그래프에서 알 수 있듯이 사이간격을 넓혀주면서 항력계수 값이 소폭 감소하긴 하였으나, 설계마하수인 1.3에서 예상했던 낮은 항력계수 값이 나오지 않고, 마하수 1.5에서 감소하였다가 바로 증가하는 경향을 보였다. 이를 자세히 확인해보기 위해서 Fig.
- 1%의 감소율을 보였다. 또한 기존 부스만 익형에 비해서는 마하수 0.8에서 마하수 1.4까지 평균 50%정도의 항력 감소율을 보이며, 마하수 1.5에서 최대 93.9%까지 감소하였다. 하지만 부스만_컷 익형의 특성상 마하수 1.
- 이를 통해서 설계 마하수보다 낮은 마하수에서 항력이 높은 이유를 설명 할 수 있다. 또한 항력계수 값이 매우 낮아지는 설계 마하수에서는, 설계 시에 이론으로 계산했던대로 충격파와 팽창의 상쇄작용으로 항력이 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 그리고 마하수가 설계 마하수 이상으로 높아지면서 충격파 각이 점점 낮아지고, 그로인해 충격파-팽창파 상쇄효과가 감소하면서 다시 항력이 높아지는 요인으로 작용한다.
- 1에 정리하였다. 비교결과 부스만_컷 익형은 다이아몬드 익형에 비해서 마하수 0.9에서 마하수 1.2까지 항력이 평균 30%정도 감소하는 것을 알 수 있으며, 설계 마하수에서 최대 88.1%의 감소율을 보였다. 또한 기존 부스만 익형에 비해서는 마하수 0.
- 7에서는 오히려 260% 증가하는 특성을 보였다. 설계마하수인 2.0에서는 기존 부스만 익형 대비 66.9%정도의 항력계수 감소율을 보였다.
- 5의 압력 곡선을 나타내었다. 역시 기존 부스만 익형과 마찬가지로 마하수 0.8에서 저압부 면적이 최대로 넓어지며 항력계수 값이 최대가 되는 것을 알 수 있었으며 이 질식유동으로 인해서 설계 마하수 1.3에서 부스만 효과가 생기지 않고 궁형 충격파가 생긴 것을 볼 수 있다. 궁형 충격파는 마하수 1.
- 028에 비해서 10% 수준밖에 되지 않는 뛰어난 항력감소효과를 보여주었다. 하지만 설계마하수에 도달하기 전인 마하수 0.7~ 마하수 1.5까지 매우 높은 항력계수 값을 갖는 문제 또한 확인할 수 있었다. 이 결과를 마하수에 따른 항력계수 그래프로 Fig.
- 해석결과 부스만 익형의 설계마하수인 1.7에서 항력계수 값은 0.003 정도로, 다이아몬드 익형의 항력계수 값인 0.028에 비해서 10% 수준밖에 되지 않는 뛰어난 항력감소효과를 보여주었다. 하지만 설계마하수에 도달하기 전인 마하수 0.
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