Navier-Stokes 방정식을 이용한 지면효과 날개의 해석

Abstract

지면효과를 갖는 날개 주위의 유동을 해석하기 위해 LU-FUNS코드를 개발하였다. 이 코드는 LU Factorization 기법을 사용하였으며 Harten-Yee의 upwind 스킴과 Steger-Warming의 splitting 을 사용하였다. 난류 모델은 Baldwin-Lomax모델과 Spalart-Allmaras 모델을 사용하였다. 코드의 정확성을 검증하기 위해 4개의 예제를 해석하였으며 실험 결과 및 다른 계산 결과와 비교하여 잘 일치하였다. 지면 효과를 갖는 에어포일의 지면 효과를 연구하기 위해 NACA 4-계열 에어포일을 계산하고 세로 정안정성을 해석하였다. 계산 결과 에어포일의 하단면과 지면이 이루는 기하학적인 구조가 지면효과에 미치는 영향은 크며 에어포일의 캠버가 클수록, 두께가 얇을수록 양항비는 증가하였다. NACA 4-계열 에어포일은 지면효과가 거의 없거나 음의 지면효과를 가질때만 세로정안정성이 안정하였다. 지면 효과를 갖는 직렬 에어포일 주위의 유동도 또한 계산되었다. 에어포일 사이의 거리가 가까워짐에 따라 양항비가 증가하다가 어느 이상 거리가 되면 오히려 감소하였다. 앞쪽 에어포일은 뒤쪽 에어포일의 영향을 받아 항력이 감소하다가 추력으로 전환되었으며, 뒤쪽 에어포일은 항력이 급격히 증가하였다. 직렬 에어포일의 세로 안정성은 단일 에어포일의 세로 안정성에 비해 불안정성이 대폭 감소하였다. 파형 곡면위를 비행하는 에어포일 주위의 유동에 대해서 연구하였다. 파형의 곡면은 사인함수로 근사화 하였다. 공력 계수의 변화는 파도의 파장이 짧을수록, 파고가 높을수록 심하였다. 공기력이 변화는 짧은 시간에 발생하기 때문에 WIG선 자체의 비행 자세를 변화시키기 보다는 반복적인 하중을 가함으로 인해 피로 파괴를 유발할 것으로 예상된다. 3차원 날개의 지면효과에 대한 연구도 수행하였다. 받음각이 증가할수록 지면효과의 영향을 증가하였다. NACA 4415 날개의 경우 지면에 가까이 갈수록 날개 끝 와류의 강도와 크기는 증가하는것을 관찰 할 수 있었다. 날개끝 와류의 궤적은 자유 비행일 경우 유동 방향에 따라 흘러 가는것을 관찰 할 수 있었으나 지면 효과를 가질 경우 일정한 높이를 유지하였다.