Dog-tooth 형상을 가진 아음속 항공기의 동안정성 미계수 수치적 예측 :

장윤석

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자료유형: 학위논문

저자정보: 장윤석 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이승수

발행연도: 2020

저작권: 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수40

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

Dog-tooth 형상을 가진 아음속 항공기의 동안정성 미계수 예측

장윤석 , 안계현 , 이승수 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.07 학술대회자료

Dog-tooth 형상을 가진 아음속 항공기의 동안정성 미계수 수치적 예측

장윤석 항공우주공학과 2020.01 학위논문

2019

비관성 좌표계에서 정상 해석을 통한 아음속 항공기의 동안정성 미계수 예측

장윤석 , 안계현 , 이승수 한국전산유체공학회 학술대회논문집 2019.10 학술대회자료

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항공기의 성능과 기동성은 6 자유도 운동방정식의 해를 구하는 과정에서 결정된다. 운동 방정식은 항공기에 작용하는 공기역학적 힘과 모멘트 등의 각종 요소들로 구성되어있다. 공기역학적 힘과 모멘트에 대한 영향은 항공기의 운동 방정식에서 정안정성과 동안정성 미계를 통해 모델링된다. 이러한 안정성 미계수들은 항공기의 거동을 모사하는 중요한 역할을 한다.
다양한 수단과 기법을 통해 동안정성 미계수를 예측이 가능하다. 풍동 시험은 일반적으로 동안정성 미계수를 예측하는 가장 정확한 방법으로 알려져 있다. 그러나 풍동 시험은 초기 설계 단계에서는 적용이 제한적이다. DATCOM과 같이 준경험식을 이용한 방법들은 빠르게 결과를 산출할 수 있는 장점이 있다. 그러나 제한적인 형상에 대한 적용이 가능하고 비선형 영역에서 그 신뢰성이 떨어지는 단점을 가지고 있다. CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 방법은 풍동시험과 같은 동역학적 거동을 사용하여 감쇠계수를 예측한다. CFD를 이용한 방법은 풍동 시험에서 운동학적 제한으로 적용하지 못하는 일반적인 운동에 대해 부여할 수 있다. CFD를 이용한 방법은 크게 비정상과 정상 해석으로 나눌 수 있다. 비정상 해석을 통해 각 방향의 감쇠계수를 산출하는 경우 높은 정확도의 결과를 얻을 수 있으나, 많은 시간 비용이 필요한 단점이 있다. 등속 원운동을 이용한 정상 해석은 비정상 해석보다 적은 해석 시간을 필요로 한다.
본 논문에서는 dog-tooth 형상을 가진 아음속 항공기에 대해 CFD를 이용하여 동안정성 미계수를 예측하였다. 먼저 dog-tooth와 같이 단차가 존재하는 형상에 대해 적절한 형상 모델링을 선정하였다. 다음으로 동안정성 미계수를 예측하기 위해 비정상 및 정상 해석을 위해 각각 강제 진동 운동 기법과 정상 원 운동 모델링을 사용하였다. 해석에는 3차원 RANS 방정식을 기반으로 하는 해석자 MSAPv를 사용하였다. 강제 진동 운동에 대한 해석의 경우, 이중 시간 적분법이 적용되었다. 정상 원 운동에 대한 해석의 경우, 비관성 좌표계에서 일정한 각속도를 고려한 정상해석이 적용하였다. 정안정성 해석은 풍동시험과 DATCOM 결과로 비교하여 검증하였다. 동안정성 해석의 경우 각각의 동안정성 미계수 예측 기법으로 산출한 결과를 비교 및 검증하였다. 마지막으로 동안정성 미계수 예측에서 정상 원운동 해석의 효율성을 확인하였다.

Performance and maneuverability of aircraft can be determined by solving six-degree-of-freedom equations of motion. The equations of motion include various elements that affect the aircraft motion such as aerodynamic forces and moments acting on the aircraft. The dependence of the aerodynamics forces and moments on the motion of the aircraft are modeled with the dynamic and static stability derivative. These stability derivatives play a key role in depicting the behaviors of the aircraft.
Various methods for predicting the dynamic derivatives are available. Wind tunnel testing is generally recognized as the most accurate method in predicting the dynamic derivatives. However, it is not reasonable or possible to use the wind tunnel testing in the conceptual stage. Empirical Methods such as DATCOM have the advantage of obtaining results quickly. However, it is applicable to limited configurations and less reliable in nonlinear areas. CFD(Computational Fluid Dynamics) method use the same dynamic motions in predicting the damping coefficients as the wind tunnel testing. CFD method can use more general motion that can be applied in the wind tunnel testing due to kinematic restriction. CFD method can be divided into unsteady and steady analyses. Calculating damping derivatives in each axes through unsteady analysis can produce highly accurate results, while there is a disadvantage that requires a high computing cost. Steady analysis using uniform circular motion requires lower computing cost than unsteady analysis.
In this paper, the dynamic derivatives of a subsonic aircraft with dog-tooth are predicted by using CFD. First, a proper modeling for a wing with a dog-tooth is examined. Next, both methods using a forced oscillation and a steady circular motion are applied for unsteady and steady analyses, respectively, in order to estimate the dynamic derivatives. A CFD code, MSAPv that is based on the 3-dimensional RANS equations is used for the predictions. Unsteady analysis with a dual stepping method is conducted for the forced oscillation method. For the steady circular motion method, steady analysis is conducted with a constant angular rate in a non-inertial coordinate frame. Computed static stability derivatives are compared with the results of a wind tunnel test and DATCOM. Analysis for the dynamic stability derivatives are verified by comparing the results obtained with two methods. Finally, the validity and the applicability of steady circular motion is showed for predicting dynamic derivatives.

#전산유체역학 #동안정성 미계수

제 1 장. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 안정성 미계수 예측을 위한 연구 동향 3
제 2 장. 안정성 미계수 예측 방법 4
2.1 감쇠 진동수 4
2.2 항공기의 안정성 5
2.3 항공기 운동의 모델링에 대한 설명 10
2.4 Method. 1 : 비정상 해석 11
2.5 Method. 2 :비관성 좌표계를 이용한 동안정성 해석 14
제 3 장. 지배방정식 및 수치기법 15
3.1 지배방정식 15
3.1.1 3차원 Reynolds Averaged Navier-Stokes 방정식 15
3.1.2 비관성 좌표계의 RANS 16
3.1.3 난류 모델 방정식 (SA) 18
3.2 수치해석 기법 19
3.2.1 국소예조건화 기법 19
3.2.2 공간이산화 기법 20
3.2.2.1 비점성항 22
3.2.2.2 고차의 이산화 24
3.2.2.3 점성항의 이산화 24
3.2.3 시간 적분법 26
제 4 장. 해석 정보 및 결과 29
4.1 해석 형상 및 정보 29
4.2 DATCOM 해석을 위한 형상 모델링 31
4.3 CFD 해석을 위한 형상 모델링 33
4.3.1 Dog-tooth 형상 모델링을 위한 날개 해석 33
4.3.1.1 격자 의존성 검사 34
4.3.1.2 Dog-tooth 형상 모델링에 다른 해석 35
4.3.1.3 날개 유형에 따른 해석 36
4.3.2 항공기에 대한 해석 38
4.3.2.1 격자 의존성 검사 38
4.3.2.2 유동 비교 39
4.3.2.3 난류모델 선정 41
4.4 정안정성 43
4.4.1 해석 범위 정보 43
4.4.2 세로 방향 정안정성 해석 43
4.4.3 가로 방향 정안정성 해석 44
4.5 동안정성 46
4.5.1 Method 1. 비정상 해석 46
4.5.1.1 Time step test 46
4.5.1.2 회전에 대한 강제 진동 운동 47
4.5.1.3 길이에 대한 강제 진동 운동 52
4.5.2 Method 2. 정상 원운동 해석 55
4.5.3 미계수 산출 58
4.5.3.1 진폭에 따른 해석 58
4.5.3.2 진동수에 따른 해석 59
4.5.3.3 시간 비용 분석 60
제 5 장. 결론 62
제 6 장. 참고문헌 63

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