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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 안존
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 세종대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수18
이 논문의 연구 히스토리 (3)
2023
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회전익 항공기는 안전한 조종을 위하여 와류 고리 상태에 진입하는 것을 최대한 피하여야 한다. 와류 고리 상태는 주로 기체의 하강 속도가 빠른 경우 발생하며, 기체가 와류 고리에 고착될 시 심각한 양력 손실이 발생하며 조종성이 저하될 수 있다. 와류 고리 상태에서 회복하는 방법으로는 높은 고도에서 기수를 낮추고 전진 속도를 증가시켜 위치에너지를 이용하는 방법과 Vuichard Recovery Technique라 불리는 방법 등이 있다. 이 방법들은 공통적으로 collective pitch와 cyclic pitch를 이용한다. 하지만 헬리콥터와 달리 소형 멀티콥터는 대부분 고정 피치를 갖고, tail rotor가 존재하지 않으므로 와류 고리 상태에서 회복하는 방법에 제약이 있다.
본 연구에서는 전산 유체 해석과 풍동실험을 통하여 저 레이놀즈 수를 갖는 소형 멀티콥터용 단일 프로펠러의 와류 고리 상태를 분석하였다. 전산 유체 해석에는 상용 전산 유체 해석 프로그램인 Ansys Fluent 2022 R2를 이용하여 하강 시 전진 속도와 기체의 입사각에 따른 RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 해석을 수행하고 각 조건에서의 유동 특성을 관찰하였다. 해석 조건에서 프로펠러의 레이놀즈 수는 약 53,000으로 저 레이놀즈 수 유동의 특징을 갖는다. 점성 모델을 선정하기 위하여 () 모델과 모델을 비교하였다. 해석 결과 모델이 모델보다 유동 재부착 등 저 레이놀즈 영역에서 천이 현상을 더 잘 예측하는 것을 확인하였다. 와류 고리가 발달하는 지점을 찾기 위하여 수직 하강 속도를 증가시키며 전산 유체 해석을 진행하였다. 수직 하강 속도 약 5 m/s 부근에서 프로펠러가 와류 고리 상태에 진입하는 것을 확인하였으며, 이때 프로펠러의 전진 속도와 입사각을 변경해가며 해석을 수행하였다. 해석 결과 같은 하강비에서 일정 전진비 이상이 되면 와류 고리 상태에서 회복하였고, 입사각이 클수록 회복에 필요한 전진비가 낮았다.
풍동실험을 수행하기 위하여 프로펠러의 하강 전진 비행을 모사할 수 있는 각도 조절 시스템을 제작하였다. 전진비와 하강비 02 구간에서 로드셀과 토크셀을 이용하여 평균 추력과 토크 및 추력 요동침 정도를 측정하였다. 풍동실험 결과 제자리 비행 추력보다 낮은 추력을 갖는 지점은 다소 작은 영역에 국한되었지만, 평균 추력 20% 이상의 추력 요동이 발생하는 지점은 비교적 넓게 분포하였다. 하지만 토크는 유의미한 변화를 보이지 않았다.
풍동실험에서 획득한 데이터를 전산 유체 해석 결과와 비교, 검증하였다. 또한 이를 토대로 소형 프로펠러의 와류 고리 상태 기준점을 그래프에 도시하였다.
따라서 본 연구의 결과를 토대로 저 레이놀즈 수 프로펠러를 장착하는 소형 멀티콥터의 경우 하강 시 최적의 속도 및 각도를 찾는 데 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 전산 유체 해석과 풍동실험을 통하여 저 레이놀즈 수를 갖는 소형 멀티콥터용 단일 프로펠러의 와류 고리 상태를 분석하였다. 전산 유체 해석에는 상용 전산 유체 해석 프로그램인 Ansys Fluent 2022 R2를 이용하여 하강 시 전진 속도와 기체의 입사각에 따른 RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 해석을 수행하고 각 조건에서의 유동 특성을 관찰하였다. 해석 조건에서 프로펠러의 레이놀즈 수는 약 53,000으로 저 레이놀즈 수 유동의 특징을 갖는다. 점성 모델을 선정하기 위하여 () 모델과 모델을 비교하였다. 해석 결과 모델이 모델보다 유동 재부착 등 저 레이놀즈 영역에서 천이 현상을 더 잘 예측하는 것을 확인하였다. 와류 고리가 발달하는 지점을 찾기 위하여 수직 하강 속도를 증가시키며 전산 유체 해석을 진행하였다. 수직 하강 속도 약 5 m/s 부근에서 프로펠러가 와류 고리 상태에 진입하는 것을 확인하였으며, 이때 프로펠러의 전진 속도와 입사각을 변경해가며 해석을 수행하였다. 해석 결과 같은 하강비에서 일정 전진비 이상이 되면 와류 고리 상태에서 회복하였고, 입사각이 클수록 회복에 필요한 전진비가 낮았다.
풍동실험을 수행하기 위하여 프로펠러의 하강 전진 비행을 모사할 수 있는 각도 조절 시스템을 제작하였다. 전진비와 하강비 02 구간에서 로드셀과 토크셀을 이용하여 평균 추력과 토크 및 추력 요동침 정도를 측정하였다. 풍동실험 결과 제자리 비행 추력보다 낮은 추력을 갖는 지점은 다소 작은 영역에 국한되었지만, 평균 추력 20% 이상의 추력 요동이 발생하는 지점은 비교적 넓게 분포하였다. 하지만 토크는 유의미한 변화를 보이지 않았다.
풍동실험에서 획득한 데이터를 전산 유체 해석 결과와 비교, 검증하였다. 또한 이를 토대로 소형 프로펠러의 와류 고리 상태 기준점을 그래프에 도시하였다.
따라서 본 연구의 결과를 토대로 저 레이놀즈 수 프로펠러를 장착하는 소형 멀티콥터의 경우 하강 시 최적의 속도 및 각도를 찾는 데 도움이 될 수 있을 것으로 기대된다.
목차
국문초록 i목차 ⅲ표 목차 ⅴ그림 목차 ⅵNomenclature ⅸⅠ. 서 론 11.1 연구 배경 11.2 연구 동향 51.3 연구 목적 및 방법 9Ⅱ. 연구 모델 112.1 모델 선정 112.1.1 전산 유체 해석 모델 112.1.2 풍동실험 모델 112.2 해석 및 실험 조건 설정 13Ⅲ. 연구 기법 163.1 전산 유체 해석 기법 163.1.1 해석 영역 및 경계 조건 163.1.2 격자 생성 183.1.3 점성 모델 선정(Transition SST) 223.1.4 RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 243.1.5 MRF (Multiple Reference Frame) 해석 기법 263.1.6 SMM (Sliding Mesh Model) 해석 기법 293.1.7 Fluent Solver 설정 313.2 풍동실험 기법 353.2.1 세종대학교 추진공기역학 연구실 소형 아음속 풍동 제원 353.2.2 TASS (Tilting Arc Support System) 363.2.3 프로펠러 공력 측정 시스템 413.2.4 데이터 측정 및 처리 방법 54Ⅳ. 결과 분석 및 논의 564.1 프로펠러 받음각 및 상대 속도 변화량 584.2 전산 유체 해석 결과 644.2.1 공력 성능 비교 644.2.2 프로펠러 주위 유동장 분석 704.3 풍동실험 결과 804.3.1 평균 추력 분포 804.3.2 추력 요동 분포 834.3.3 Wolkovitch, ONERA 기준과의 비교 86Ⅴ. 결 론 90참고문헌 95ABSTRACT 99감사의 말 102
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