초록

AI-Helper

버드 스트라이크는 항공기 안전에 큰 위협을 주고 있다. 새를 막기 위하여 공항에서 여러 가지 방법들을 이용해 새를 쫓고 있지만 임시방편인 경우가 많거나 근본적인 방법은 아니다. 본 연구에서는 이러한 버드 스트라이크를 막기 위하여 새를 막는 장치를 엔진 흡입구에 장착하고, 이 흡입구가 엔진 흡입구의 성능에 어떠한 영향을 주는지 알아보려고 한다.

버드 스트라이크는 항공기 안전에 큰 위협을 주고 있다. 새를 막기 위하여 공항에서 여러 가지 방법들을 이용해 새를 쫓고 있지만 임시방편인 경우가 많거나 근본적인 방법은 아니다. 본 연구에서는 이러한 버드 스트라이크를 막기 위하여 새를 막는 장치를 엔진 흡입구에 장착하고, 이 흡입구가 엔진 흡입구의 성능에 어떠한 영향을 주는지 알아보려고 한다.

AI 본문요약

엑셀 다운로드 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 그래서 이러한 새에 의한 피해를 줄이기 위하여 본 연구에서는 항공기에 직접 새를 쫓는 장치를 달 것이다. CFD를 이용해 엔진 흡입구에 새가 들어가지 못하도록 여러 가지 모양의 바를 설치한 뒤, 이 장치가 엔진 내부의 유동에 어떠한 영향을 주는지, 흡입구의 성능에는 어떤 영향을 미치는지 알아보려고 한다.
• 이러한 사고를 방지하기 위하여 새의 서식지로부터 멀리 떨어진 곳에 공항을 건설하거나 활주로 주변에서 총소리를 내기도 하지만 근본적인 해결방안은 되지 못하고 있다. 그래서 이러한 새에 의한 피해를 줄이기 위하여 본 연구에서는 항공기에 직접 새를 쫓는 장치를 달 것이다. CFD를 이용해 엔진 흡입구에 새가 들어가지 못하도록 여러 가지 모양의 바를 설치한 뒤, 이 장치가 엔진 내부의 유동에 어떠한 영향을 주는지, 흡입구의 성능에는 어떤 영향을 미치는지 알아보려고 한다.
• [1] 바 사이의 간격이 좁으면 새가 통과하지 못할 확률도 늘어나지만 격자의 개수가 많아져 계산 시간이 오래 걸리고, 계산이 안 될 확률도 높아진다. 또한 유동의 흐름을 막기 때문에 후류 특성에 안 좋은 영향을 줄 것도 고려하였다. 그래서 실제 엔진 흡입구 지름을 3m정도라고 하였을 때, 간격을 30cm, 60cm로 잡아 바의 개수를 9개와 4개로 정하였다.
• 본 연구에서는 버드 스트라이크를 막기 위해 앞에 여러 개, 여러 가지 모양의 바를 달고 이 장치가 mass flow rate, 전압비, 항력계수에 어떠한 영향을 주는지 비교해 보았다. 이 때 계산시간을 줄이고 격자를 조금 더 간단하게 짜기 위해서, 격자가 잘 풀릴 수 있도록 많은 가정들을 하였다.
• 본 연구에서는 여객기에 많이 사용되는 터보팬엔진을 모사하여 엔진 내부의 유동을 분석하였다. 그러나 터보팬엔진의 압축기나 연소실, 노즐 등의 형상을 모두 모사하는 데에는 어려움이 있으므로 모델링의 편의를 위해서 엔진 내부의 모양은 흐름이 나뉘는 것을 모사한 것을 제외하고 무시하였다.

가설 설정

• Airbus사의 A380에 들어가는 터보팬엔진 Engine Alliance GP7000의 경우 지름이 약 3m, 길이가 약 5m정도이므로[4] 간단히 계산하기 위해 격자를 짤 때에는 흡입구의 크기를 1로, 길이를 2로 계산하고 모델링을 하였다. 또, 흐름이 나뉘는 지점을 흡입구로부터 약 1.5m로 가정하고 압축기의 위치가 흐름이 나뉘는 지점으로부터 약 15cm정도 뒤에 있다고 가정하였다. boundary condition을 줄 때는 엔진 벽면은 모두 adiabatic viscous wall을 이용하였고, 먼 유동에 대해서는 far-field BC를 이용하였다.
• 이 때 계산시간을 줄이고 격자를 조금 더 간단하게 짜기 위해서, 격자가 잘 풀릴 수 있도록 많은 가정들을 하였다. 복잡한 터보팬엔진을 간단히 모델링하기 위해 팬, 압축기 등의 부품들의 영향은 제외를 시켰고, 유동도 비압축성 유동으로 가정하였다. 바의 단면의 모양도 간단한 몇 가지 경우들만 시도하였고 바의 개수도 2가지 경우로 해보았다.
• 터보팬엔진의 이착륙할 때 버드 스트라이크가 많이 일어나는 것을 고려하여 비행기의 속도를 약 60m/s로 가정하고 계산을 하였다. 비행기 외부의 온도는 실온(약 20℃)로 가정하여 마하수가 0.3이하로 생각하여 비압축성 유동이라고 하고 풀었다.
• 본 연구에서는 버드 스트라이크를 막기 위해 앞에 여러 개, 여러 가지 모양의 바를 달고 이 장치가 mass flow rate, 전압비, 항력계수에 어떠한 영향을 주는지 비교해 보았다. 이 때 계산시간을 줄이고 격자를 조금 더 간단하게 짜기 위해서, 격자가 잘 풀릴 수 있도록 많은 가정들을 하였다. 복잡한 터보팬엔진을 간단히 모델링하기 위해 팬, 압축기 등의 부품들의 영향은 제외를 시켰고, 유동도 비압축성 유동으로 가정하였다.
• 터보팬엔진의 이착륙할 때 버드 스트라이크가 많이 일어나는 것을 고려하여 비행기의 속도를 약 60m/s로 가정하고 계산을 하였다. 비행기 외부의 온도는 실온(약 20℃)로 가정하여 마하수가 0.

제안 방법

• 1처럼 단순히 일자모형으로 하였다. Airbus사의 A380에 들어가는 터보팬엔진 Engine Alliance GP7000의 경우 지름이 약 3m, 길이가 약 5m정도이므로[4] 간단히 계산하기 위해 격자를 짤 때에는 흡입구의 크기를 1로, 길이를 2로 계산하고 모델링을 하였다. 또, 흐름이 나뉘는 지점을 흡입구로부터 약 1.
• 5m로 가정하고 압축기의 위치가 흐름이 나뉘는 지점으로부터 약 15cm정도 뒤에 있다고 가정하였다. boundary condition을 줄 때는 엔진 벽면은 모두 adiabatic viscous wall을 이용하였고, 먼 유동에 대해서는 far-field BC를 이용하였다.
• mass flow rate는 ρuA로 계산을 하였고, 전압비는 각 위치에서 전압을 계산을 한 뒤 기준 값 (far-field에서의 전압)으로 나누어 계산을 하였다.
• 격자를 짤 때에는 최대한 격자가 직사각형이 되도록 해야 문제가 잘 풀리기 때문에 에어포일과 다이아몬드 형상 끝부분에서 cubic spline을 이용하여 끝 부분의 격자 모양을 직사각형이 되도록 만들었다. 바의 boundary condition도 엔진 벽면과 똑같이 adiabatic viscous wall을 적용하였다.
• 또한 유동의 흐름을 막기 때문에 후류 특성에 안 좋은 영향을 줄 것도 고려하였다. 그래서 실제 엔진 흡입구 지름을 3m정도라고 하였을 때, 간격을 30cm, 60cm로 잡아 바의 개수를 9개와 4개로 정하였다.
• 이 격자들을 이용해 유동을 풀기 위해서 정렬격자 기반 2차원 비압축성 유동 범용 해석 SW(2D_Incomp_P)를 이용하였다. 그리고 계산시간과 계산의 정확도를 고려하여 반복 횟수를 35000번으로 정하였다. 또한 레이놀즈수가 높은 것을 고려하여 turbulent flow라고 하였고, 받음각은 0도, 난류 모델은 menter’s k-omega 모델을 이용하였다.
• 바의 모양이 유동에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 아무 것도 달지 않은 격자(base)와 case1과 case5, case2와 case 6을 같이 비교해볼 것이다. 또, 바의 개수에 따라서 결과에 어떠한 영향을 주는지 case1과 case2 그리고 case5와 case6을 비교하면서 살펴볼 것이다.
• 다이아몬드 형상은 가장 단순한 모양이고, 날씬한 모양을 가지고 있으므로 후류에 영향을 덜 줄 것이라고 예상하였다. 또한 다이아몬드 형상은 단면의 좌우 길이를 조절하여 길이에 따른 후류의 변화도 관찰하였다. 반면에 에어포일 형상은 제작은 쉽지 않지만 다이아몬드 형상과 같이 날씬한 모양이므로 후류에 영향을 덜 주고 항공기의 양력계수에도 좋은 영향을 줄 가능성이 있다고 예상하였다.
• 복잡한 터보팬엔진을 간단히 모델링하기 위해 팬, 압축기 등의 부품들의 영향은 제외를 시켰고, 유동도 비압축성 유동으로 가정하였다. 바의 단면의 모양도 간단한 몇 가지 경우들만 시도하였고 바의 개수도 2가지 경우로 해보았다. 그 결과 mass flow rate와 항력계수는 줄어들었고, 전압비는 거의 일정하였다.
• 바의 모양이 유동에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 아무 것도 달지 않은 격자(base)와 case1과 case5, case2와 case 6을 같이 비교해볼 것이다. 또, 바의 개수에 따라서 결과에 어떠한 영향을 주는지 case1과 case2 그리고 case5와 case6을 비교하면서 살펴볼 것이다.
• 바의 좌우 길이가 유동에 얼마나 영향을 주는지 알아보기 위해 다이아몬드 형상의 case 2, 3, 4와 base를 비교해보았다.
• 새를 막는 바를 모델링하기 위해 바 단면의 모양, 바 사이의 간격을 고려하였다.
• 베르누이 방정식은 비압축성, 비회전류, 비점성류, 정상류, 층류일 때 유선을 따라 전압이 일정하다는 것을 말해준다. 여기서는 각 격자가 아주 작으므로 각 격자 안에서는 위에서 제시한 비압축성, 비회전류, 비점성류, 정상류, 층류라고 할 수 있으므로 이를 통해 전압을 구하였다. 베르누이 방정식은 다음과 같다.

이론/모형

• mass flow rate는 ρuA로 계산을 하였고, 전압비는 각 위치에서 전압을 계산을 한 뒤 기준 값 (far-field에서의 전압)으로 나누어 계산을 하였다. 각 위치에서의 전압을 계산할 때는 베르누이 방정식을 이용하였다. 베르누이 방정식은 비압축성, 비회전류, 비점성류, 정상류, 층류일 때 유선을 따라 전압이 일정하다는 것을 말해준다.
• 또한 레이놀즈수가 높은 것을 고려하여 turbulent flow라고 하였고, 받음각은 0도, 난류 모델은 menter’s k-omega 모델을 이용하였다.
• 이 격자들을 이용해 유동을 풀기 위해서 정렬격자 기반 2차원 비압축성 유동 범용 해석 SW(2D_Incomp_P)를 이용하였다. 그리고 계산시간과 계산의 정확도를 고려하여 반복 횟수를 35000번으로 정하였다.

성능/효과

• 2009년 8월부터 2010년 12월까지 우리나라 공항 7개를 골라 조사한 결과 다양한 새들이 항공기와 부딪힌 것을 알 수 있는데, 이 중에는 종다리 같은 작은 새들부터 60cm가 넘어가는 해오라기, 쇠기러기 등도 포함되어 있다.[1] 바 사이의 간격이 좁으면 새가 통과하지 못할 확률도 늘어나지만 격자의 개수가 많아져 계산 시간이 오래 걸리고, 계산이 안 될 확률도 높아진다. 또한 유동의 흐름을 막기 때문에 후류 특성에 안 좋은 영향을 줄 것도 고려하였다.
• 바의 단면의 모양도 간단한 몇 가지 경우들만 시도하였고 바의 개수도 2가지 경우로 해보았다. 그 결과 mass flow rate와 항력계수는 줄어들었고, 전압비는 거의 일정하였다. 바의 개수가 늘어나면 mass flow rate는 줄어들고 항력계수는 늘어난다.
• 이러한 경향을 보이는 이유는 다음과 같이 정리할 수 있다. 먼저, 다이아몬드 형상이 naca0012보다 더 단면적이 크고, 볼록하므로 더 많은 mass flow rate의 손실을 만들어 내는 것으로 보이고, 이러한 현상이 항력계수 증가에도 영향을 준 것으로 보인다. 전압비의 경우 비압축성 유동으로 계산을 하였으므로 압력이 대부분 속도로 변하였기 때문에 차이가 거의 없는 것으로 보인다.
• 바의 개수에 따라서 비교를 해보면(case 1 vs case 2, case 5 vs case 6) mass flow rate는 개수가 작아지면 커지고, 전압은 이번에도 거의 비슷하며 항력계수는 바의 개수가 작아질수록 작아진다.
• 또, 바의 단면이 더 얇아지면(바의 단면 길이가 길어지면) 전압비가 줄어들었지만 차이가 거의 없었다. 이를 종합해보면 다이아몬드의 형상으로 바의 개수를 4개 정도로 하고 단면의 길이를 22.5cm로 하는 것이 가장 mass flow rate를 덜 줄이고, 항력계수도 덜 키운다. 다만 모든 경우에서 압력 분포(fig 4,5,9,10)을 보면 벽 근처에서는 압력분포가 일정하지 않아 압축기의 효율을 떨어뜨린다는 단점이 있다.

후속연구

• bypass ratio의 크기도 엔진의 추력과 효율에 큰 영향을 주게 된다. 그러나 본 연구에서는 흐름이 나뉘기 전의 유량을 살펴볼 것이므로 bypass ratio에 대해서 자세히 다루지는 않을 것이다.
• 이러한 단점을 보완하기 위해서는 불균일한 압력 분포에도 압축기 효율을 더 높이는 연구가 진행이 되어야 할 것으로 보인다. 위에서 본 단면 형상과 본 연구에서 시도해본 형상이 가장 최적화된 형상이라고 보기에는 어렵지만 앞으로 더 연구가 진행되면 mass flow rate를 덜 줄이고, 항력계수는 더 줄이는 형상이 나올 것으로 기대된다.
• 다만 모든 경우에서 압력 분포(fig 4,5,9,10)을 보면 벽 근처에서는 압력분포가 일정하지 않아 압축기의 효율을 떨어뜨린다는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해서는 불균일한 압력 분포에도 압축기 효율을 더 높이는 연구가 진행이 되어야 할 것으로 보인다. 위에서 본 단면 형상과 본 연구에서 시도해본 형상이 가장 최적화된 형상이라고 보기에는 어렵지만 앞으로 더 연구가 진행되면 mass flow rate를 덜 줄이고, 항력계수는 더 줄이는 형상이 나올 것으로 기대된다.

본문요약 정보가 도움이 되었나요? 예 아니오 제출

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
항공기 사고의 원인	항공기 사고의 원인 중 많은 비중을 차지하는 것은?	항공기 사고의 원인 중 많은 비중을 차지하는 것이 바로버드 스트라이크이다. 2009년 8월부터 2010년 12월까지 우리나라의 7개의 공항에서 버드 스트라이크의 발생 횟수를 조사한 결과 63번의 버드 스트라이크가 일어났으며 그 중 이륙할 때 일어난 경우가 전체의 17.
전압	전압이란?	전압은 유동의 속도가 등엔트로피 과정으로 0이 되었을 때의 유동의 압력을 말한다. 전압이 유동의 에너지와 관계가 있다는 것을 보이기 위해 잠시 설명을 해보면 만일 유동의 온도가 높지 않아 calorically perfect이면 유동의 등압비열은 일정하다.
버드 스트라이크	버드 스트라이크가 일어날 경우 문제점은?	또한 새가 충돌하는 위치는 엔진에 충돌하는 경우가 전체의 45%로 가장 많다.[1] 새가 엔진 속으로 들어가면 엔진이 멈추는 것뿐만이 아니라 엔진이 파손되어 잘못하면 추락하는 경우도 발생할 수 있다. 이는 승객에게는 항공기 지연으로 인해 불편을 끼치고 항공사에게는 막대한 금전적 손해를 입히고, 심각한 경우 인명피해로 이어질 수 있다.

질의응답 정보가 도움이 되었나요? 예 아니오 제출

이 논문을 인용한 문헌

더보기