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문제 정의
- 본 연구에서는 순항속도를 향상시키기 위해 임계마하수를 개선하고자 하였다. 익형의 임계마하수를 계산하기 위해 Prandtl-Glauert 압축성 보정식이 적용된 해석자와 2D_Comp-2.
- 이러한 선행 연구를 기반으로 본 연구에서는 Mcr을 높이기 위한 연구를 수행하였다. 우선, 아음속 익형 NACA0012와 대표적 천음속 익형인 RAE2822를 EDISON_CFD로 해석하여 Mcr과 익형의 형상적 관계를 파악하였다.
제안 방법
- 2D_Comp-2.1_P를 통해 얻은 마하수에 따른 압력장을 Fig. 5를 통하여 관찰하였고, Fig. 7을 통해 국소적으로 M>1이 되는 구간을 관찰하였다.
- 또한 충격파 발생에 의한 항력 증가를 완화시키기 위해 기존의 천음속 익형 윗면에 Bump를 설치하여 해석을 진행하였다. Bump의 너비와 높이, 위치를 형상 변수로 설정하였으며, 각 변수에 대한 파라미터 분석을 수행하였다. 기존의 천음속 익형에 비해 Bump가 적용된 익형에서 충격파 분산에 따른 항력계수 2.
- 1과 같다. 각 변수들에 대한 분석범위는 Table.2에 나타내었고 본 연구는 Bump의 형상적 특징을 정의하고 파라미터 분석을 수행하였다. 특히 효과적인 성능개선을 위해 Bump의 위치는 충격파 발생지점 부근에서 조절하였다.
- 0 × 105으로 설정하였다. 격자는 O-type으로 구성하였으며 익형에서 외부경계까지의 거리는 단위시위길이의 30배로 지정하였다.
- 0 × 105으로 설정하였다. 격자는 O-type으로 구성하였으며 익형에서 외부경계까지의 거리는 단위시위길이의 30배로 지정하였다.
- 7 이하에서 적합하다. 고속의 아음속 영역의 익형 주위 유동을 관찰하기 위하여 기본 익형으로 NACA0012를 선정하였고, flow type은 invscid flow로 해석하였다.
- 우선, 아음속 익형 NACA0012와 대표적 천음속 익형인 RAE2822를 EDISON_CFD로 해석하여 Mcr과 익형의 형상적 관계를 파악하였다. 그리고 RAE2822에 Bump를 설치하여 Mcr을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다.
- 1_P를 사용하였다. 난류 효과를 고려하기 위하여 flow type은 turbulent flow로 지정하였다.
- 35% 증가한 Mcr을 가지는 것을 확인하였다. 또한 충격파 발생에 의한 항력 증가를 완화시키기 위해 기존의 천음속 익형 윗면에 Bump를 설치하여 해석을 진행하였다. Bump의 너비와 높이, 위치를 형상 변수로 설정하였으며, 각 변수에 대한 파라미터 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 2D_Comp-2.1_P와 Prandtl-Glauert 압축성 보정식을 이용하여 아음속 익형 NACA0012와 천음속 익형 RAE2822의 공력특성인 Cp, Mcr 을 비교 분석하였다. Prandtl-Glauert 압축성 보정식을 이용한 해석기법은 충격파가 발생하기 전까지의 아음속 영역에서 정확도가 높았다.
- 을 높이기 위한 연구를 수행하였다. 우선, 아음속 익형 NACA0012와 대표적 천음속 익형인 RAE2822를 EDISON_CFD로 해석하여 Mcr과 익형의 형상적 관계를 파악하였다. 그리고 RAE2822에 Bump를 설치하여 Mcr을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다.
- 설정한 경계조건은 다음과 같다. 익형의 벽면은 viscous adiabatic wall, 바깥경계는 Far-Field로 설정하였다. 해석자에서 적용한 공간차분 기법은 RoeM기법, 시간차분기법은 LU-SGS이며, 계산의 반복조건은 Error tolerance 1.
- 2에 나타내었고 본 연구는 Bump의 형상적 특징을 정의하고 파라미터 분석을 수행하였다. 특히 효과적인 성능개선을 위해 Bump의 위치는 충격파 발생지점 부근에서 조절하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 공력특성을 분석하기 위해 Prandtl-Glauert 압축성 보정식이 적용된 해석자를 이용하였으며, 2D_Comp-2.1_P의 결과와 비교하였다. 임계마하수를 구하는 Prandtl-Glauert 압축성 보정 지배방정식은 다음과 같이 표현할 수 있다.
- 해석 결과의 유효성을 검증하기 위해 Prandtl-Glauert 보정식과 2D_Comp-2.1_P을 이용하여 실험값과 동일한 유동조건에서 계산을 수행하였고, 그에 따른 압력계수 분포를 Fig. 8과 Fig. 9에 나타내었다. NACA0012는 M∞ = 0.
이론/모형
- NACA0012의 임계마하수를 도출하기 위해 Prandtl-Glauert 보정식과 2D_Comp-2.1_P를 이용하여 해석을 수행하였다. 임계 마하수의 실험값은 0.
- 익형의 벽면은 inviscid wall, 바깥경계는 Far-Field로 설정하였다. 공간차분 기법은 RoeM기법, 시간차분기법은 LU-SGS를 사용하였다. 계산의 반복 조건은 Error tolerance 1.
- 본 연구에서는 순항속도를 향상시키기 위해 임계마하수를 개선하고자 하였다. 익형의 임계마하수를 계산하기 위해 Prandtl-Glauert 압축성 보정식이 적용된 해석자와 2D_Comp-2.1_P를 사용하였다. Prandtl-Glauert 압축성 보정식이 적용된 해석자는 비압축성 유동에 대한 결과에 간단한 보정을 함으로써 압축성 효과를 근사적으로 고려하는 방법이다.
- 해석자에서 적용한 공간차분 기법은 RoeM기법, 시간차분기법은 LU-SGS이며, 계산의 반복조건은 Error tolerance 1.0 × 10- 5, Iteration 1.0 × 105으로 설정하였다.
성능/효과
- NACA0012는 M∞ = 0.5에서 해석하였고, Prandtl-Glauert 보정식과 2D_Comp-2.1_P의 결과가 실험값과 유사한 분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- 5×106, 받음각 0°로 지정하였다. Prandtl-Glauert 보정식을 통한 해석 결과 임계 마하수는 0.745이며 실험값 0.75와 0.67%의 오차가 나타났다. 2D_Comp-2.
- 725이고, 유동조건을 실험값과 동일하게 레이놀즈 수 6 × 106, 받음각 0°로 지정하였다. Prandtl-Glauert 압축성 보정식은 빠른 시간 내에 결과값을 얻을 수 있는 장점이 있었고, 결과값은 0.743이므로 2.42%의 오차가 나타났다.
- 1_P와 Prandtl-Glauert 압축성 보정식을 이용하여 아음속 익형 NACA0012와 천음속 익형 RAE2822의 공력특성인 Cp, Mcr 을 비교 분석하였다. Prandtl-Glauert 압축성 보정식을 이용한 해석기법은 충격파가 발생하기 전까지의 아음속 영역에서 정확도가 높았다. 이후 높은 아음속 구간에서는 충격파의 발생으로 박리가 일어나므로, 점성효과를 고려하는 2D_Comp-2.
- Bump의 너비와 높이, 위치를 형상 변수로 설정하였으며, 각 변수에 대한 파라미터 분석을 수행하였다. 기존의 천음속 익형에 비해 Bump가 적용된 익형에서 충격파 분산에 따른 항력계수 2.93% 감소를 확인하였으며, 양항비가 4.7% 증가하는 것을 볼 수 있었다.
- 1_P를 통한 해석이 적합하였다. 높은 아음속 영역에서 2D_Comp-2.1_P를 이용하여 계산한 결과, RAE2822가 NACA0012보다 1.35% 증가한 Mcr을 가지는 것을 확인하였다. 또한 충격파 발생에 의한 항력 증가를 완화시키기 위해 기존의 천음속 익형 윗면에 Bump를 설치하여 해석을 진행하였다.
- 1_P는 실험값과 유사하게 충격파를 예측해낼 수 있으나, Prandtl-Glauert 보정식의 경우 충격파 발생을 예측할 수 없다. 이를 통해 충격파가 발생하지 않는 아음속영역에서는 Prandtl-Glauert 보정식과 2D_Comp-2.1_P 모두 신뢰할만한 결과를 산출하지만, 충격파가 발생하는 높은 아음속 영역에서는 2D_Comp-2.1_P로 계산을 수행하는 것이 적절한 것을 확인할 수 있었다.
- 5c부근에서 충격파에 의해 급격한 압력손실이 발생하고 있으나, Bump를 설계한 익형의 경우 충격파가 분산되어 기본 RAE2822 익형에 비해 적은 압력손실이 발생하는 것을 알 수 있다. 전체 항력계수는 RAE2822가 0.0125, Bump를 설계한 익형이 0.0121로 2.93% 감소하였고 양항비는 RAE2822가 54.7, Bump를 설치한 익형이 57.2로 4.7% 증가하였다.
- 초기에 마하수 변화량을 0.1로 하여 계산을 수행하였고, M∞ = 0.8에서 충격파가 발생하는 것을 확인하였다.
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