다단 설계 프레임워크를 이용한 프로펠러 공력 형상 최적 설계

Abstract

본 연구에서는 프로펠러나 헬리콥터 로터와 같은 회전체의 공력 최적 설계를 위한 다단 최적 설계 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 플랜폼 설계와 단면의 형상 설계를 반복적으로 수행하는 설계 전략을 기반으로 로터의 성능 향상을 목표로 한다. 플랜폼 설계의 단계에서는 유전 알고리즘과 2차원 CFD 데이터베이스 기반의 깃 요소 모멘텀 이론을 이용하여 빠른 시간에 회전체의 공력 특성을 평가하여 최적점을 탐색하였다. 플랜폼이 설계된 후 단면의 지역 유동 조건을 계산하여 단면 최적 설계를 수행하였다. 보다 면밀히 유동 특성을 분석할 수 있도록 2차원 N-S 해석자와 민감도 기반의 최적화 알고리즘을 통해 최적해를 탐색하였다. 단면의 형상이 설계된 후에는 최적의 유동 조건을 산출할 수 있도록 플랜폼 설계를 반복적으로 수행하였다. 최종 형상은 3차원 N-S 해석을 통해 검증하여 그 유효성을 판단한다. 이러한 방법론에 기반한 다단 최적 설계 프레임워크를 전기추진체용 프로펠러 설계에 적용하여 약 8%의 효율 증가를 얻었다.