Development of a coupled CFD-CSD Solver for rotor blades

Abstract

헬리콥터 및 풍력터빈 로터 블레이드의 공탄성 해석에서 공기력 계산은 주로 블레이드 요소 운동량 기법 또는 양력선 이론을 통해 수행되어 왔다. 흔히 공기력 모델이라 일컬어지는 이러한 방법들은 해석 기법 적용이 비교적 간단하고 계산 용량이 크지 않아 신속한 결과 도출이 가능한 장점이 있지만, 해석 방법론이 이차원 에어포일의 정상상태 공력데이터 및 포텐셜 유동 이론에 기반을 두고 있기 때문에 로터 주위에서 나타나는 실제적인 삼차원 비정상 점성 유동 특성을 정확하게 반영하는데 한계가 있으며, 결과적으로 높은 정확도의 공탄성 예측 결과를 기대하기 힘들다. 본 연구에서는 이러한 공기력 모델의 한계를 극복하고자 공기력 모델을 Navier-Stokes 방정식에 기반한 전산유체역학기법 (Computational Fluid Dynamics, CFD)으로 대체하고, 이를 전산구조동역학 (Computational Structural Dynamics, CSD) 코드와 결합 해석하는 이른 바, CFD-CSD 연계 공탄성 해석 코드를 개발하였다. CFD 유동해석 코드는 유한 체적법과 비정렬 격자에 기반하며, 중첩 격자 기법과 격자 변형 기법을 이용하여 블레이드의 공탄성 변형 운동을 포함한 유동해석이 가능하도록 하였다. CSD 코드는 블레이드 구조동역학 모델로서 이차 비선형 보 이론을 도입하였으며, 블레이드 요소 운동량 기법에 근거한 공기력 모델을 추가함으로써 독립적인 공탄성 해석이 가능하도록 하였다. 블레이드의 구조 동역학 방정식은 유한 요소법을 적용하여 이산화 되었으며, 이산화 된 방정식은 시간 적분을 통하여 풀이되도록 하였다. CFD코드와 CSD 코드의 결합해석은 블레이드의 공력과 변형데이터의 반복적인 전달로 이루어지며, 본 연구에서는 로터 주위 유동의 주기성을 이용하여, 데이터 전달을 로터 한 바퀴마다 수행하는 연성 결합 방법 (time-periodic delta-airload coupling)을 적용하였다. 개발된 CFD-CSD 연계 해석 코드의 검증은 실험 측정치가 존재하는 헬리콥터 전진 비행 해석을 통하여 수행되었으며, 우수한 수렴성과 예측 정확도의 타당성을 확인하였다. 또한 연계 해석 코드를 풍력터빈에 적용하여 다양한 풍조건에서 나타나는 로터 블레이드의 공력 및 공탄성 특성을 대한 고찰을 수행하였다.