[논문]3D 플라잉 디스크의 회전 운동에 따른 비정상 유동 해석

박다운; 김태욱

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박다운 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 김태욱 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과)

본 연구에서는 플라잉 디스크를 이용하여 회전 운동의 유무에 따른 공력특성의 변화를 비교 분석하였다. 회전 운동이 발생하면 표면에 비대칭적으로 압력이 분포하기 때문에 롤링 모멘트가 발생하고 마그너스 효과로 측력이 발생하고 피칭모멘트, 회전감쇠모멘트가 발생하고 롤 안정성이 증가한다.

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문제 정의

본 연구에서는 플라잉 디스크를 이용하여 회전 운동이 공력특성 및 유동에 미치는 영향을 분석하였다. 플라잉 디스크가 회전을 하면 비대칭적으로 발생하는 압력으로 인해 피칭 모멘트, 회전감쇠모멘트, 측력이 발생한다.

가설 설정

플라잉 디스크가 회전을 하게 되면(Fig. 4-(b)) 앞전 부근의 압력 분포는 회전운동이 없는 경우와 거의 흡사하게 나타난다. 하지만 회전을 할 때 뒷전 상부에서 압력이 감소하는 위치가 조금 더 뒷전 쪽에 위치하며 앞전 뒷전 압력 분포가 비대칭적으로 발생한다.

제안 방법

격자는 자유류의 흐름과 레이놀즈수를 고려하여 첫 번째 격자점까지의 높이를 4.0 × 10-6m 로 설정 하였으며, 원방 경계의 반지름은 시위선의 40배로 설정하였다.
따라서 본 연구에서는 KFLOW_3D_ROTOR 해석자와 같은 코드를 사용하여 ㈜ Freeone의 ‘177’ 형상에 대한 동적 계수 롤링모멘트계수(CR), 피칭모멘트계수(CM), 회전감쇠모멘트계수(CN)와 측력 계수CY 를 구해 회전 운동이 있는 경우 받음각 변화에 따른 플라잉 디스크에 미치는 영향을 분석하였다.
즉, +z축을 기준으로 Ω = 24.5[Hz]의 속도로 양의 방향으로 회전운동을 하는 경우에 대해 비정상 계산을 수행하였다.

대상 데이터

격자의 수렴성을 검토하기 위하여 1,679,040개, 2,9811,880개, 4,321,170개의 격자수를 가진 정렬격자를 이용하였다. 격자 테스트를 통해 격자의 크기가 유동의 경향성과 박리거품 예측에 미치는 영향을 Fig.

이론/모형

이 계산을 수행하기 위해 KFLOW_3D_ROTOR 해석자와 같은 코드를 사용하였다. 비정상 RANS 방정식을 적용하였고 S-A 난류 표준모델과 Roe 상류차분법, 제한자는 Van-Alvada, Diagonalized-ADI 시간차분기법을 사용하였다. 자유류 조건은 M=0.
0 × 10^-6m 로 설정 하였으며, 원방 경계의 반지름은 시위선의 40배로 설정하였다. 원방 경계 조건은 Riemann invariant 경계 조건을 적용하였고, 벽면은 단열 점성 경계 조건으로 설정하였다.

성능/효과

플라잉 디스크는 비행 시 형상 아랫면에 거대한 갇힌 박리 유동이 생성되고, 박리 유동 내부나 뒷전부근에 와류가 발생한다.[2] 독특한 형상으로 인해 주변에 매우 복잡한 유동이 광범위하게 형성되므로 형상이 조금만 변경되어도 공력특성에 미치는 영향이 크다.[3-5]
격자의 수렴성을 검토하기 위하여 1,679,040개, 2,9811,880개, 4,321,170개의 격자수를 가진 정렬격자를 이용하였다. 격자 테스트를 통해 격자의 크기가 유동의 경향성과 박리거품 예측에 미치는 영향을 Fig. 2를 통해 확인한 결과, 계산의 효율성과 정확성을 고려하였을 때 1,679,040개의 격자수를 가진 격자가 가장 적합하다고 판단되었다. Fig.
07까지는 윗면보다 더 큰 압력이 발생한다. 그후 중심부근에서 다시 아랫면의 압력이 윗면보다 더 작아지는데, 회전운동을 할 때 이러한 영역의 범위는 줄어드는 것을 확인 할 수 있다. 아래 공동 부근의 압력은 약 –0.
회전 운동을 할 회전운동이 없는 경우와 거의 동일한 위치에서 정체점이 발생한다. 플라잉 디스크 형상 아랫면 공동에서 재순환 영역은 크게 1개 발생하며 회전이 없을 때 아랫면 뒷전에서 발생하였던 재순환 영역이 플라잉 디스크의 회전운동 영향으로 사라짐을 확인 할 수 있다. 회전이 없을 때 아랫면 앞전 부근에서 아주 작게 발생했던 재순환구간에서, 형상의 회전 운동으로 인해 박리만 발생 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

회전 운동에 의한 공력 변화는 어떻게 일어나는가?

플라잉 디스크가 실제 상황에서 운동할 때 회전 운동은 반드시 발생하게 된다. 회전 운동에 의한 공력 변화는 양력, 항력에는 미미하지만, 상부와 하부의 표면압력 분포가 비대칭적으로 변해 롤링 모멘트가 발생하고, 마그너스 효과로 인해 side force 및 안정성에는 큰 영향을 준다.[1] 따라서 회전 운동을 고려한 공력 분석이 반드시 수행되어야 하고 현재 실험적인 방법으로 이에 대한 연구가 진행되고 있다.

플라잉 디스크가 비행시, 어디에 갇힌 박리 유동이 생성되는가?

[1] 따라서 회전 운동을 고려한 공력 분석이 반드시 수행되어야 하고 현재 실험적인 방법으로 이에 대한 연구가 진행되고 있다. 플라잉 디스크는 비행 시 형상 아랫면에 거대한 갇힌 박리 유동이 생성되고, 박리 유동 내부나 뒷전부근에 와류가 발생한다.[2] 독특한 형상으로 인해 주변에 매우 복잡한 유동이 광범위하게 형성되므로 형상이 조금만 변경되어도 공력특성에 미치는 영향이 크다.

플라잉 디스크의 공력특성이 형상에 민감한 이유는?

플라잉 디스크는 비행 시 형상 아랫면에 거대한 갇힌 박리 유동이 생성되고, 박리 유동 내부나 뒷전부근에 와류가 발생한다.[2] 독특한 형상으로 인해 주변에 매우 복잡한 유동이 광범위하게 형성되므로 형상이 조금만 변경되어도 공력특성에 미치는 영향이 크다.[3-5]

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