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본 연구에서는 플라잉디스크의 윗면 곡률과 끝단두께에 따른 공력특성의 변화 및 유동 흐름을 EDISON_CFD를 통해 해석하고자 한다. 플라잉디스크는 받음각이 증가할수록 윗면 표면에서는 박리 거품이 발생하게 되고 아랫면에서 윗면으로 올라 갈려는 유동의 흐름이 발생하게 되어 뒷전과 후류에서 거대한 박리 거품이 발생하게 되어 공력특성 및 유동흐름에 큰 변화를 주게 된다. 총 5가지의 형상에 대해서 받음각을 $0^{\circ}{\sim}25^{\circ}$까지 마하수 0.0588, 해석모델은 KFLOW에서 k-w SST를 레이놀즈수 $3.78{\times}10^5$을 조건으로 각 형상의 공력특성과 유동의 흐름의 비교를 분석하였다. 그 결과 윗면의 곡률이 증가 할수록 앞전박리가 활발해지고, 끝단두께가 두꺼워 질수록 뒷전박리가 활발해진다. 이로 인해 곡률은 완만할수록 두께는 얇을수록 양력계수와 실속각을 증가 시킬 수 있다.

본 연구에서는 플라잉디스크의 윗면 곡률과 끝단두께에 따른 공력특성의 변화 및 유동 흐름을 EDISON_CFD를 통해 해석하고자 한다. 플라잉디스크는 받음각이 증가할수록 윗면 표면에서는 박리 거품이 발생하게 되고 아랫면에서 윗면으로 올라 갈려는 유동의 흐름이 발생하게 되어 뒷전과 후류에서 거대한 박리 거품이 발생하게 되어 공력특성 및 유동흐름에 큰 변화를 주게 된다. 총 5가지의 형상에 대해서 받음각을 $0^{\circ}{\sim}25^{\circ}$까지 마하수 0.0588, 해석모델은 KFLOW에서 k-w SST를 레이놀즈수 $3.78{\times}10^5$을 조건으로 각 형상의 공력특성과 유동의 흐름의 비교를 분석하였다. 그 결과 윗면의 곡률이 증가 할수록 앞전박리가 활발해지고, 끝단두께가 두꺼워 질수록 뒷전박리가 활발해진다. 이로 인해 곡률은 완만할수록 두께는 얇을수록 양력계수와 실속각을 증가 시킬 수 있다.

AI 본문요약

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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 평판이 길어질수록 양력 특성에 이득이 있다는 것은 직관적으로 알 수 있다. 때문에 이번 연구에서는 평판의 변화는 고려하지 않고 윗면과 끝단두께를 변경하여 공력특성이 어떻게 변화하는지 확인하고자 한다.
• 플라잉디스크는 초기 사람이 가해주는 힘과 각도에 의해 방향 및 비행거리가 결정된다. 이때 형상의 변화에 따른 변화를 알기 위해 본 연구를 실시하게 되었다. 플라잉디스크는 항공기의 익형과 마찬가지로 형상의 변화에 따라서 유동의 특성이 변화하고 그로 인해 양력, 항력 즉 공력 특성이 변화 할 것이다.

제안 방법

• Crowther의 풍동실험 연구에서 사용된 플라잉디스크로 설정하였다.[2][3] Case1을 기본형상으로 하여 끝단두께는 일정하게 유지하면서, Case2는 윗면의 곡률을 급격하게, Case3는 완만하게 변화하였고 Case4는 Case2에서 끝단두께를 줄이고 Case5는 두께를 증가시켜 형상을 결정 총 5가지의 형상을 해석 및 비교하였다. 이 때 모든 형상의 길이는 동일하게 1로 설정하였다.
• 기본형상에서 윗면의 곡률을 변경시킨 Case1, 2, 3의 공력 특성을 비교해 보았다. 모든 형상이 받음각이 증가할수록 양력계수가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
• 또한 형상의 특성상 표면 주변에서 박리가 활발하게 발생하는데 이로 인해 양력은 감소하고 항력은 증가하게 되어 비행에 불리하게 된다. 실제 플라잉디스크는 회전을 하면서 비행하기 때문에 회전에 의한 공력 특성도 고려해야 하지만 회전은 공력특성보다는 플라잉디스크의 안정성에 영향에 미치고 양력, 항력은 회전에 의한 영향이 적기 때문에 본 연구에서는 회전을 고려하지 않고 형상과 받음각의 변화만 고려하였다.[1]
• 플라잉디스크의 형상을 크게 윗면 곡률과 끝단두께를 변화하여 총 5가지 형상을 설정한 뒤에 EDISON_CFD의 해석 모델을 이용하여 공력계수 및 유동흐름을 비교하였다. 첫 번째 비교인 윗면 곡률의 변화에서는 곡률이 급격해질수록 형상 표면에서 박리 와류가 발생하여 형상전체로 크게 확장되고, 형상내부에 박리 거품이 강하게 발생하다.
• 해석을 위한 격자를 생성할 때 비교중점이 플라잉디스크의 윗면곡률과 끝단두께 변화이고, 플라잉디스크 특성상 표면에서 큰 박리가 발생하게 되는데 이를 정밀하게 해석하기 위해 형상의 앞전과 뒷전에 포인트 수를 증가시켰다. 또한 원방의 영역은 형상길이의 40배, 첫 번째 격자까지 간격은 5×10^-5으로 설정하여 격자를 생성하였으며 총 격자 개수는 9만개이다.

대상 데이터

• 기본 형상은 J.R. Potts & W.j. Crowther의 풍동실험 연구에서 사용된 플라잉디스크로 설정하였다.
• 또한 원방의 영역은 형상길이의 40배, 첫 번째 격자까지 간격은 5×10-5으로 설정하여 격자를 생성하였으며 총 격자 개수는 9만개이다.

이론/모형

• Crowther의 연구에서 사용된 형상을 기본형상으로 하였기 때문에 연구에서 사용한 유동의 조건을 해석 조건과 동일하게 하였다. 난류 모델은 k-w SST를 사용하였다.
• 해석모델은 EDISON_CFD에서 난류해석 모델인 KFLOW을 이용하여 각 형상의 공력특성을 비교하였으며 J.R. Potts & W.j. Crowther의 연구에서 사용된 형상을 기본형상으로 하였기 때문에 연구에서 사용한 유동의 조건을 해석 조건과 동일하게 하였다.

성능/효과

• 기본형상에서 윗면의 곡률을 변경시킨 Case1, 2, 3의 공력 특성을 비교해 보았다. 모든 형상이 받음각이 증가할수록 양력계수가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 윗면 곡률이 증가된 형상(Case2)의 경우 기존형상(Case1) 보다 양력계수가 작으며 받음각 20°에서는 급격한 양력계수가 감소하고, 항력계수가 급증하는 실속이 발생한다.
• 본 연구 결과 플라잉디스크의 양력계수와 실속각을 증가시키기 위해서는 형상을 윗면 곡률은 완만하게, 끝단두께는 얇게 제작하는 것이 유리하다는 것을 확인하였다.
• 기존 형상(Case1)과 곡률이 완만한 형상(Case3)은 형상 윗면에서 박리의 발생하지 않는다. 이를 통해 윗면 곡률의 증가가 앞전 박리를 발생시켜 양력계수가 작아지고 항력계수가 증가한다는 것을 확인할 수 있다.
• 플라잉디스크의 형상을 크게 윗면 곡률과 끝단두께를 변화하여 총 5가지 형상을 설정한 뒤에 EDISON_CFD의 해석 모델을 이용하여 공력계수 및 유동흐름을 비교하였다. 첫 번째 비교인 윗면 곡률의 변화에서는 곡률이 급격해질수록 형상 표면에서 박리 와류가 발생하여 형상전체로 크게 확장되고, 형상내부에 박리 거품이 강하게 발생하다. 이로 인해 양력계수와 실속각이 감소한다.

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