[논문]EDISON CFD를 이용한 NACA00xx 시리즈의 공력특성 연구

박서행; 김민기

EDISON CFD를 이용한 NACA00xx 시리즈의 공력특성 연구
A Study of Aerodynamic Characteristics of NACA00xx series with Edison CFD 원문보기

박서행 (안동대학교 기계공학과) , 김민기 (안동대학교 기계공학과)

익형의 형상이 대칭인 NACA00xx 시리즈의 두께 비 변화에 따른 익형의 공력 특성을 조사하였다. 익형주위의 유동을 2D-압축성 유동으로 가정하여 비선형 유동방정식인 2D-Comp-2.0 solver를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 주어진 두께 비에 대한 mesh study를 수행하고 수치해석의 결과는 Fluent 6.3의 수치해석 결과와 비교 분석하였다. 또한 선택 된 최적의 mesh size를 이용하여 익형의 두께비에 따른 양력계수와 항력계수를 비교 분석 하였다. 수치해석 결과로부터 익형의 두께비가 증가할수록 양력계수와 항력계수는 증가하였으며, 또한 받음각의 크기에 따른 익형의 공력특성은 받음각이 증가할수록 양력계수와 항력계수는 증가하였다. 일반적으로 익형의 두께비가 증가하면 shock wave의 강도는 증가하고, shock wave의 위치는 익형의 끝단으로 이동한다. 본 연구에서는 NACA00xx 시리즈의 공력특성에 대한 이해뿐만 아니라 Edison CFD 코드를 이용하여 얼마나 우리가 정확하게 공력해석을 수행할 수 있는지에 중점을 두었다.

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문제 정의

사용 된 익형은 NACA0009, NACA0012, NACA0015, NACA0018이며, 두께비에 대해 Shock wave 는 어떻게, 어느 지점에서 발생하는지 알아보고, 받음각에 대한 C_P ,C_L ,C_D는 어떻게 변하는지 이해한다. 끝으로 해석이 바르게 수행 되었는지 다른 해석프로그램을 이용해 비교 분석하는 것에 목표를 둔다.
본 연구에서는 각각 NACA00XX 시리즈가 받음각에 대해 어떻게 영향을 받는지 알아보고자 한다. 사용 된 익형은 NACA0009, NACA0012, NACA0015, NACA0018이며, 두께비에 대해 Shock wave 는 어떻게, 어느 지점에서 발생하는지 알아보고, 받음각에 대한 C_P ,C_L ,C_D는 어떻게 변하는지 이해한다.

가설 설정

격자 생성은 쉽고 빠르게 많은 자료를 얻기 위한 O type으로 수행하였고, 익형은 viscous wall, 원방 경계조건은 Far field의 경계조건을 사용하였으며 Far field의 크기는 익형의 10배로 하였다. 이 때에 공기의 압력과 온도는 표준압력과 표준온도인 1atm과 288k, 코드길이는 1m로 가정하였다.

제안 방법

NACA00XX 시리즈에 대한 유동해석을 수행하였다. 격자 생성은 쉽고 빠르게 많은 자료를 얻기 위한 O type으로 수행하였고, 익형은 viscous wall, 원방 경계조건은 Far field의 경계조건을 사용하였으며 Far field의 크기는 익형의 10배로 하였다.
여기서 임계마하수란 비행중인 비행기를 주위의 공기흐름이 가장 빠른 곳에서의 마하수가 1에 도달할 때의 비행 마하수를 말한다.[1] NACA00XX 시리즈에 받음각 3,6,9,12,13,14,15,18도에 대한 양력계수와 항력계수 값을 비교하였다.
각각 NACA00XX 시리즈가 받음각에 대해 각각의 계수들이 어떻게 영향을 받는지 알아보았다. 익형의 두께비와 항력계수는 비례관계지만 그와 반대로 양력계수와는 반비례 관계를 가졌다.
NACA00XX 시리즈에 대한 유동해석을 수행하였다. 격자 생성은 쉽고 빠르게 많은 자료를 얻기 위한 O type으로 수행하였고, 익형은 viscous wall, 원방 경계조건은 Far field의 경계조건을 사용하였으며 Far field의 크기는 익형의 10배로 하였다. 이 때에 공기의 압력과 온도는 표준압력과 표준온도인 1atm과 288k, 코드길이는 1m로 가정하였다.
먼저 Shock Study를 통해 Shock wave가 익형의 중단에서 일어나는 Re number와 Mach number를 찾고 Mesh Study를 통해 정확성을 올렸다. Mesh Study는 라인의 격자 조밀도를 0.
본 연구에서는 각각 NACA00XX 시리즈가 받음각에 대해 어떻게 영향을 받는지 알아보고자 한다. 사용 된 익형은 NACA0009, NACA0012, NACA0015, NACA0018이며, 두께비에 대해 Shock wave 는 어떻게, 어느 지점에서 발생하는지 알아보고, 받음각에 대한 C_P ,C_L ,C_D는 어떻게 변하는지 이해한다. 끝으로 해석이 바르게 수행 되었는지 다른 해석프로그램을 이용해 비교 분석하는 것에 목표를 둔다.
항공기의 익형을 공기의 유동 조건에 대한 디자인 설계와, 유동해석은 이러한 많은 개발을 함에 있어 필수적인 요소이다. 이장창[1]은 Sonic Arc 형상함수와 NACA0012 형상 data 그리고 상용 프로그램 Maple을 이용하여 새로운 수정 Sonic Arc 익형을 설계 하였다. 이러한 익 형을 설계하기 위해서는 윗면과 아랫면이 대칭으로 이루어진 NACA00XX 시리즈를 이해하는 것은 익형에 대한 첫 발걸음을 뛰는 것으로 Airfoil의 비행원리를 이해함에 앞서 꼭 필요한 단계이다.

대상 데이터

699% 발생한 것을 보아 정확한 결과 값을 얻을 수 있었다. 이로서 Airfoil의 가장 기본이 되는 NACA00XX 시리즈의 해석을 수행하였다.

성능/효과

익형의 두께비와 항력계수는 비례관계지만 그와 반대로 양력계수와는 반비례 관계를 가졌다. 받음각과 양력계수, 항력계수의 상관관계는 비례함을 보였다. 이것은 두께비 9~12% 까지는 최대 양력계수가 커지지만 그 이상의 두께 비에서는 오히려 작아진다는 것을 알 수 있었다.
이것은 두께비 9~12% 까지는 최대 양력계수가 커지지만 그 이상의 두께 비에서는 오히려 작아진다는 것을 알 수 있었다. 이를 검증하기 위해 논문 자료를 참조로 하여 비교 하여 보았을 때, 받음각, 두께 비 대한 양력계수, 항력계수의 상관관계는 같게 나온다는 것을 알 수 있었다. 익형에 대한 받음각과 양력계수 사이의 상관관계를 Fluent로 해석한 값과 비교한 결과 비록 실속이 일어나는 받음각의 오차는 1도 정도 있었지만 ,각 받음각에 대한 값의 오차는 많이 없었고, 최대 양력계수의 오차는 1.
이를 검증하기 위해 논문 자료를 참조로 하여 비교 하여 보았을 때, 받음각, 두께 비 대한 양력계수, 항력계수의 상관관계는 같게 나온다는 것을 알 수 있었다. 익형에 대한 받음각과 양력계수 사이의 상관관계를 Fluent로 해석한 값과 비교한 결과 비록 실속이 일어나는 받음각의 오차는 1도 정도 있었지만 ,각 받음각에 대한 값의 오차는 많이 없었고, 최대 양력계수의 오차는 1.699% 발생한 것을 보아 정확한 결과 값을 얻을 수 있었다. 이로서 Airfoil의 가장 기본이 되는 NACA00XX 시리즈의 해석을 수행하였다.

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