항공기 익형 공력특성 향상을 위한 유동제어 기법에 관한 수치적 연구

Abstract

기존 익형의 공력 특성 향상을 위한 유동제어 기법은 근래의 유체역학 부분의 주된 관심사중의 하나이다. 연속적 블로잉, 연속적 흡입, 펄스제트와 같은 능동적 유동제어 기법들의 경우, 목적한 제한적인 유동조건에서 익형의 공력특성 향상을 나타내는 수동적 유동제어 기법들과는 달리, 유동제어를 위하여 부가적인 에너지를 요구하기는 하나 유동제어 요소들의 변화를 통하여 다양한 유동장에 대하여 적용할 수 있는 장점을 가진다. 본 연구에서는 기존의 능동적 유동제어 기법들에 비하여 더 효과적이며, 효율적인 유동제어 특성을 가지는 능동적 유동제어 기법 개발에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 제트를 이용한 능동적 유동제어 기법에 대한 수치적 모사를 위하여 2차원 압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하는 비정렬 격자계에 대한 병렬화된 수치해석 기법을 개발하였다. 수치해석 기법에서 공간차분을 위하여 격자점 중심(vertex-centered)의 유한 체적법(FVM, Finite Volume Method)을 사용하였고, 시간적분을 위하여 point-Gauss-Seidel 반복계산 기법을 이용한 2차의 내재적 시간적분 방법을 사용하였다. 계산시간 간격의 제한 조건을 완화하기 위하여 내재적 시간적분 방법을 사용하였으며, 비정상해의 해상도를 높이기 위하여 2차의 시간 정확도를 갖도록 차분화하였다. 정상유동의 효율적인 계산을 위하여 국부시간 전진기법(local time stepping)을 사용하였으며, 비정상 유동계산에서 비교적 큰 무차원 시간 간격을 사용하기 위하여 이중 시간전진 기법(dual time stepping)을 사용하였다. 난류 유동장에 대한 고려를 위하여 1방정식 S-A(Spalart-Allmaras) 난류 모형을 사용하였다. 병렬계산을 위한 수치해석 영역의 분할은 MeTis library를 이용하였으며, 분할된 부영역간의 자료교환을 위하여 MPI library를 사용하였다. 개발된 수치해석 기법의 검증을 위하여 정상 및 비정상 상태의 다양한 유동영역에 대한 기존 연구자들의 실험치와의 비교를 수행하였으며, 유동제어 기법의 모사의 정확성에 대한 검증 역시 수행하였다. 기존의 연구자들에 비하여 더욱 다양한 유동장에 대하여 제트를 이용한 능동적 유동제어 기법들의 유동제어 요소 변화에 따른 유동제어 특성의 변화에 대하여 체계적인 연구를 수행하여 그 결과를 제시하였다. 제시된 결과를 바탕으로 기존의 능동적 유동제어 기법들에 비하여 더욱 효과적이며 효율적인 이중슬롯을 이용한 유동제어 기법 및 혼합제어 기법을 이용한 유동제어 기법을 제시하였으며, 그 결과를 기존의 능동적 유동제어 기법의 결과들과 비교하여 제시된 유동제어 기법들의 우수성을 확인하였다. 레이놀즈 수 와 사이의 아음속부터 천음속에 이르는 다양한 유동장에 대하여 기존의 익형들과는 다른 형상적 특징으로 인하여 기존 익형들과는 다른 공력특성을 나타내는 타원형 익형의 공력특성에 대한 연구를 수행하여 비교적 높은 레이놀즈 수 유동장에서의 타원형 익형의 공력특성에 대하여 제시하였다. 뿐만 아니라 이중슬롯을 이용한 유동제어를 수행하여 유동제어에 따른 타원형 익형의 공력특성 향상에 대하여도 고려하였다.