[논문]NACA0012 Airfoil의 받음각과 유동형태에 따른 공력특성 분석

윤정노; 양승덕; 조태현; 이도형

NACA0012 Airfoil의 받음각과 유동형태에 따른 공력특성 분석
Aerodynamic analysis of flow type and angle of attack around a NACA0012 airfoil 원문보기

윤정노 (한양대학교) , 양승덕 (한양대학교) , 조태현 (한양대학교) , 이도형 (한양대학교)

항공기에 작용하는 공기역학적 힘인 양력과 항력은 항공기 날개 설계에서 성능을 좌우하는 성능지수로 주로 이용된다. 본 연구에서는 NACA0012 airfoil 모델의 공력특성을 EDISON 열유체 시뮬레이션 프로그램(이하 EDISON)을 이용해 분석하고 검증해 보았다. 아음속 유동의 특정 조건에서 받음각과 유동형태에 따른 공력특성 분석을 수행하여 받음각에 따라 변하는 양력계수, 항력계수, 양항비, 실속각과 천음속 유동 조건에 맞추어진 마하수 0.5~1.22 영역에서 변하는 항력계수를 기존 데이터와 비교 검증했다.

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문제 정의

본 연구에서는 다양한 Case의 받음각에 대한 항력계수와 양력계수의 값을 계산한 후, 양항비와 Stall 값을 알아보고자 한다. 또한, 비점성층류와 점성층류, 점성난류 일 때 생성되는 유동박리 현상을 고려하여 NACA0012 익형의 유동특성을 해석하였다.

제안 방법

본 연구에서는 다양한 Case의 받음각에 대한 항력계수와 양력계수의 값을 계산한 후, 양항비와 Stall 값을 알아보고자 한다. 또한, 비점성층류와 점성층류, 점성난류 일 때 생성되는 유동박리 현상을 고려하여 NACA0012 익형의 유동특성을 해석하였다.
유동해석 조건으로는 아음속 항공기(Boeing 747,777 etc.)는 자유흐름 마하수 0.85 정도에서 순항하는 것을 고려해 이를 바탕으로 해석 조건을 Mach = 0.7, Re = 6 × 106, AOA = 0 ≤ θ ≤ 17로 선정하여 해석을 수행하였고 군용 전투기의 경우 마하 1에 가까운 높은 아음속 또는 천음속 비행 영역에서 시간을 보내는 것을 바탕으로 실험조건을 Mach = 0.5 ~ 1.22, RE = 6 × 106, AOA = 0 로 선정하여 해석하여 이론값과 비교하였다.
또한, 전산유체, 유체역학, 공기역학에 대한 지식부족으로 인해 단시간 내 많은 공부를 하지 못해 계산 값의빈번한 오류가 있어 시간적 여유를 갖지 못한 채 연구해야만 했던 부분이 아쉬움으로 남는다. 이에 있어 여러 참가팀들 또한 비슷한 형식에 연구를 할 것으로 예상되오나, 주제를 받음각의 따른 양력 변화, 마하수의 따른 항력변화, 전공서적에서 볼 수 있는 것으로 전산유체역학을 통해 실제 airfoil 주변의 유동형태 및 데이터수치를 알아보았다. 추출한 데이터를 통해 정확한 비교분석을 하지 못한 점과 이로 인해 낮은 신뢰성이 가장 아쉬움이 크게 남는다.

데이터처리

Fig. 1.의 이론적 양력, 항력, 양항비 그래프와 EDISON 시뮬레이션 프로그램을 통해 얻은 결과 그래프를 비교 분석해 보았다.
Fig. 4.의 마하수 변화의 따른 항력계수 그래프와 EDISON을 통해 얻은 결과 그래프를 비교분석해 보았다.

성능/효과

마하수 0.5 ∼ 0.8 영역에서 항력계수는 일정한 값을 가지며, 마하수 0.8 ∼ 1.2 천음속 영역에서의 항력 계수는 급격히 증가하여 마하수 1 부근에서 최대 값을 갖고 서서히 감소함을 볼 수 있었다.
비점성 층류에서는 10° 부분의 Stall 지점이 있는 반면 10° 부근에서 일정값이 나타남에 점성층류에서는 최대 Stall 지점을 알 수 없었으며, AOA 증가에 따라 양·항력계수 모두 증가함을 알 수 있었다.

후속연구

짧은 기간 동안 아이디어 선정을 통한 선택범위가 넓지 못한 점에 있어 조금 아쉬움이 남았다. 또한, 전산유체, 유체역학, 공기역학에 대한 지식부족으로 인해 단시간 내 많은 공부를 하지 못해 계산 값의빈번한 오류가 있어 시간적 여유를 갖지 못한 채 연구해야만 했던 부분이 아쉬움으로 남는다. 이에 있어 여러 참가팀들 또한 비슷한 형식에 연구를 할 것으로 예상되오나, 주제를 받음각의 따른 양력 변화, 마하수의 따른 항력변화, 전공서적에서 볼 수 있는 것으로 전산유체역학을 통해 실제 airfoil 주변의 유동형태 및 데이터수치를 알아보았다.
이번 EDISON을 통하여 NACA0012 airfoil 형상에 대한 주변 공력 특성을 알아보면서 이를 통해 유체역학에 대한 기본지식과 공기역학의 기초지식을 넓힐 수 있었던 계기가 되어 좋은 경험이 되었으며, 나아가 한걸음 더 나은 엔지니어가 되기 위한 밑거름이 되었으리라 본다.

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