비정렬 혼합격자계 유동 해석자를 이용한 끝단 형상에 따른 로터 공력특성에 관한 수치적 연구

Abstract

본 연구에서는, 로터크래프트 주변 유동장을 정확하고 효율적으로 해석하기 위해 비정렬 혼합 격자계 유동 해석자를 개발하였다. 공간 이산화를 위하여, 해석 형상 주변 격자계는 격자점(node) 중심의 유한 체적법(FVM)을 적용하였고, 해석 형상 외부 격자계는 격자(cell) 중심의 유한 체적법을 사용하였다. 시간 적분을 위해 내재적 point Jacobi/Gauss-Seidel 기법을 적용하였다. 난류 해석을 위해 SA(Spalart-Allmaras) 1-방정식 모델을 사용하였다. 와류의 빠른 수치적 소산을 막기 위해 보정 기법의 하나인 ASARC(Approximate Spalart-Allmaras Rotational Correction)을 적용하였다. 서로 상이한 격자계간의 해석을 위해 중첩 격자 기법을 적용하였다. 단일 격자계 유동 해석자가 가지는 약점을 보완하기 위해 혼합 격자 기법을 사용하였다. 해석 형상 주변 격자계는 프리즘/사면체의 비정렬 격자를 사용하였고, 해석 형상 외부 격자계는 비정렬 적응 직교 격자를 적용하였다. 프리즘/사면체 격자를 사용하여 복잡한 해석 형상에 대해 격자 생성이 용이하게 하였고, 고차 정확도 WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory) 기법을 적응 직교 격자에 적용하여 고차 정확도 해석을 수행하였다. 트리(Tree) 기반의 데이터 구조를 직교 격자계에 적용하여 격자 적응(Adaptation Mesh Refinement)을 용이하게 하였다. 비정렬 혼합 격자계 유동 해석자의 검증을 위해 rectangular, swept-taper, swept-taper-anhedral 끝단 형상을 가지는 서로 다른 3개의 S-76 로터 블레이드에 대하여 해석을 수행하였다. 추력 계수(CT), 토크 계수(CQ), Figure of Merit(FM)과 같은 공력 실험 결과와 제자리 비행하는 S-76 로터의 해석 결과의 비교 수행을 통해 유동 해석자의 성능을 검증하였다. 또한, 각각의 끝단 형상에 대하여 끝단 와류의 궤적, 와류 중심의 크기와 같은 로터에서 발생하는 유동의 특성의 비교 분석을 수행하였다. 그리고 블레이드 끝단 마크(Mach) 수에 따른 로터의 성능 및 공력 특성의 변화에 대한 수치 연구 또한 수행하였다.