[논문]공동효과에 의한 NACA0018의 공력특성변화 연구

박온유; 이예린; 김왕현; 정현석

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박온유 (충남대학교 항공우주공학과) , 이예린 (충남대학교 항공우주공학과) , 김왕현 (충남대학교 항공우주공학과) , 정현석 (충남대학교 기계공학과)

두꺼운 에어포일은 받음각이 클 때 역압력 구배가 일어날 수 있기 때문에 날개의 중앙부 후방에서 유동박리(Flow separation)와 와류 진동(Vortex shedding)이 쉽게 발생할 수 있다고 알려져 있다. 항공기가 이 착륙할 때 받음각이 커짐에 따라 유동박리에 의한 실속이 발생할 수 있는데 이를 지연 시켜 실속각을 크게 하면 안전성이나 효율 면에서 유리하다. 이를 위해 날개에 Hole을 만들어 와류를 잡아 유동의 박리를 지연시키고자 하였다. 본 연구에서는 EDISON_CFD 시스템의 2D_Incomp_P 솔버를 사용하여 NACA0018 에어포일의 윗면에 다른 위치의 Hole이 있을 때와 크기가 다른 Hole이 있을 때의 실속각이 가장 커지는 경우를 찾아보았다. Hole의 위치와 반지름 크기를 변화시켰을 때 각각의 최대 양력 계수를 비교하여 실속각의 증가와 Streamline을 그려 유동박리가 지연됨을 확인하였다.

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문제 정의

본 논문에서는 EDISON_CFD 시스템의 2D_Incomp_P 솔버를 사용하여 NACA0018 에어포일의 윗면에 다른 위치의 Hole이 있을 때와 크기가 다른 Hole이 있을 때의 받음각에 따른 양력계수를 비교하여 실속각의 변화를 살펴보고 Streamline을 확인하여 유동박리의 지연에 관하여 연구하려고 한다.
본 연구에서는 에어포일의 윗면에 Hole을 만들어 주고, 그 크기와 위치를 변화시키며 가장 효과적으로 Vortex를 가두어 유동의 박리를 지연시키는 연구를 하였다. 총 5개의 Case를 선정하여 해석을 진행하였는데, Hole의 크기가 작고 위치는 뒷전에 가까운 경우에 후류가 줄어들었다.

제안 방법

CFL 수를 1로 하였을 때 결과가 수렴되지 않고 진동하여 CFL 수를 0.5로 설정하였고, 정확한 해석 결과를 위해 Error tolerance를 1×10-6 으로 설정하여 해석을 진행하였다.
Case는 총 5가지로 선정하였다. Hole이 없는 NACA0018을 기본 에어포일로 하고, 참고 논문과 일치하게 Hole을 만들었을 경우(Case 1)를 먼저 비교하였다. 또한 Hole의 크기에 따라 변화하는 공력특성을 알아보기 위해 반지름이 작은 경우(Case 2)와 큰 경우(Case 3)로 나누고, Hole의 위치에 따라 변화하는 공력특성을 알아보기 위해 Hole의 중심을 기존의 0.
3 × 10^-5 을 사용해 Spacing을 설정하였다. eMEGA를 사용하여 C-type으로 격자를 생성하였고, Hole이 있는 경우는 각 Case별로 Fig. 2와 같이 격자를 생성하였다. Hole의 모양은 Olsman[4]의 논문을 참고하여 만들었다.
Hole이 없는 NACA0018을 기본 에어포일로 하고, 참고 논문과 일치하게 Hole을 만들었을 경우(Case 1)를 먼저 비교하였다. 또한 Hole의 크기에 따라 변화하는 공력특성을 알아보기 위해 반지름이 작은 경우(Case 2)와 큰 경우(Case 3)로 나누고, Hole의 위치에 따라 변화하는 공력특성을 알아보기 위해 Hole의 중심을 기존의 0.3c에서 0.2c(Case 4)와 0.5c(Case 5)로 이동시켜 해석을 진행하였다.

대상 데이터

두꺼운 에어포일은 받음각이 클 때 얇은 에어포일에 비해 역압력 구배가 쉽게 일어날 수 있기 때문에 날개의 중앙부 후방에서 유동 박리와 와류 진동이 쉽게 발생할 수 있다고 알려져 있다. Hole에 의한 결과를 효과적으로 확인하기 위해 두께가 있는 에어포일인 NACA0018을 선정하여 해석을 진행하였다.
본 연구에서는 에어포일의 윗면에 Hole을 만들어 주고, 그 크기와 위치를 변화시키며 가장 효과적으로 Vortex를 가두어 유동의 박리를 지연시키는 연구를 하였다. 총 5개의 Case를 선정하여 해석을 진행하였는데, Hole의 크기가 작고 위치는 뒷전에 가까운 경우에 후류가 줄어들었다. 그 결과, 박리점이 지연되어 실속각이 커지는 장점을 확인할 수 있었다.

데이터처리

EDISON_CFD 시스템으로 해석한 결과들은 후처리 프로그램인 eDAVA를 사용하여 유동을 가시화하였다.

이론/모형

2와 같이 격자를 생성하였다. Hole의 모양은 Olsman[4]의 논문을 참고하여 만들었다. Hole이 없는 에어포일의 경우 총 격자 개수는 40,000개, Block 개수는 3개이고, Hole이 있는 경우 총 격자 개수는 61,400개, Block 개수는 7개이다.

성능/효과

또한 각 Case별로 최대양력계수를 찾아 실속각을 확인하였고, Hole의 크기가 변화함에 따라 실속각이 바뀌는 것을 알 수 있었다. Case 1과 Case 3에서는 기본 에어포일과 마찬가지로 15도에서 실속이 발생했고, Case 2에서는 실속각이 17도로 커졌음을 알 수 있다.

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