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풍동실험과 CFD 시뮬레이션을 이용한 농용 헬리콥터 기본 익형의 공력특성 고찰
원용식 ( Yong Sik Won ),구영모 ( Young Mo Koo ),하이더바샤랏알리 ( B. A. Haider ),손창현 ( Chang Hyun Sohn ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1
본 연구는 무인 헬리콥터의 양력을 개선하기 위한 기초 단계로서 V1505A 및 V2008B 기본 두 익형의 400 mm 블레이드 섹션에 해당하는 모델에 대한 풍동실험을 실시하여 양력, 항력 및 동력특성을 분석하고 CFD 시뮬레이션의 결과와 비교하고 검증하였다. 시뮬레이션은 풍동 실험과 유사하게 설정하기 위하여 400 mm 블레이드 섹션의 양 끝을 벽으로 제한하여 3차원 와류현상을 억제하여 모델을 구성하였고, 시뮬레이션의 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 사용된 모델은 로터로부터 Re=0.32x10<sup>6</sup> 영역까지는 Laminar 모델을 사용하였으며, 그 이후 영역(>Re=0.32x10<sup>6</sup>)은 양력 및 저항의 급격한 변화를 올바로 포착할 수 있다는 S-A 모델을 적용하여 확장하였다. 시뮬레이션의 격자는 유동 현상에 있어 박리로 야기된 와류 현상을 관찰하기 위하여 익형 주변에 접하는 부분에 격자를 집중시켰다. 시뮬레이션 방법은 유속은 36~141 m/s 까지 5 수준으로 하였으며, 받음각은 0~16°로 7 수준으로 변화 시키면서 공력계수 및 동력을 분석하였다. 양력분석에 있어 익형 V1505A에 비해 익형 V2008B의 특성이 우수하였으나, 익형 V1505A는 실속 이후 양력이 급격히 떨어지지 않고 유지되는 특성을 보였다. 익형 V2008B는 낮은 받음각에서 높은 공력과 낮은 항력을 나타냈다. 동력 분석 결과로 익형 V1505A의 유도동력은 총 동력의 56~72%를 차지하고, 형상동력은 총 동력의 27~43%를 차지하였다. 익형 V2008B는 유도동력은 총 동력의 66~81%를 차지하고, 형상동력은 총 동력의 18~33%를 차지하였다. 익형 V2008B이 익형 V1505A보다 유도동력은 크며, 형상동력은 적게 나와 상대적으로 효율적이라 할 수 있다. 헬리콥터 동력원의 규모는 법률적인 총중량에 의하여 제한되므로 일반적인 농용 소형 무인 헬리콥터 엔진의 사양인 24.5 kW (32PS)를 적용한다면, 익형 V1505A은 받음각8~10°에서 그리고 익형 V2008B은 7~9°정도에서 받음각이 제한되며 이때 총 양력은 1200~1300 N 정도로 예상된다.
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농용 헬리콥터 블레이드의 공력특성 분석을 위한 기본 익형의 풍동실험과 CFD 시뮬레이션 비교
원용식 ( Yong Sik Won ),구영모 ( Young Mo Koo ),하이더바샤랏알리 ( B. A. Haider ),손창현 ( Chang Hyun Sohn ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2
농용 회전익기의 로터 블레이드는 반경방향의 선속도에 따라 그립(내)측과 팁(외)측에 해당하는 공력특징이 다르게 되며 각 영역에 적합한 익형이 필요하게 된다. 따라서 본 연구의 목적은 농용헬리콥터의 로터 성능을 향상시키기 위하여 각 영역에 해당하는 선속도를 적용하여 기본익형의 특성을 풍동실험과 CFD 시뮬레이션으로 비교 분석하는 데 있다. 풍동실험을 위하여 농용 헬리콥터의 각 영역에 적용할 기본익형(V1505A,V2008B)을 3D-Printer을 이용하여 400 mm의 분할체로 구현하였다. 익형 분할체는 풍동입구 어뎁터에 측판(end plate)과 함께 장착하였으며, 공력측정을 위해 다축 로드셀과 데이터 저장장치를 통해서 양력과 항력을 획득하였다. 공력 변화를 측정하기 위해 다양한(0~24°) 받음각에 대하여 풍동에서 가능한 최대 풍속 36 m/s 에서 공력을 측정하였다. 또한 ANSYS Tool를 이용하여 3D유동(vortex) 흐름을 제거하기 위해 익형을 벽면을 붙여 모델을 구성하였으며, 해석모델은 층류 영역에 해당하므로 Laminar 모델을 사용하였다. 시뮬레이션에서 풍속은 풍동실험과 같은 36 m/s로 하였고, 받음각은 실제 실험에서 보인 실속구간 범위 (0~16°)까지 적용하였다. V1505A의 양력계수(CL)과 항력계수(CD)는 각각 0.047과 0.016의 평균차(差)를 보이며 잘 일치하였다. CL은 안정적으로 향상하며 실속은 두 결과 모두 14°에서 발생하였으며, 최대 양력계수(CLmax)은 약0.95의 결과를 보였다. V2008B의 CL과 CD는 각각 0.079와 0.034의 평균차를 보이며, 실속각은 풍동실험에서 16°, 시뮬레이션에서 14°로 차이를 보였는데 이는 시뮬레이션 유동변수의 상이함에 기인한 것으로 생각된다. CL은 받음각에 증가함에 따라 급격히 상승하였으며, CLmax는 평균 1.15의 값을 보였다. CD는 두 익형에서 공히 받음각이 증가할수록 점차적으로 커지며 실속각 이후 급격히 증가하였다. 풍동실험과 시뮬레이션의 결과는 비슷한 경향을 보였으며, 시뮬레이션 모델에 실제와 더욱 근접한 적정변수를 적용하면 더욱 일치하는 결과를 도출할 것으로 판단된다. 두 익형은 각기 다른 특징을 보였으며, V1505A는 내측(그립)영역, V2008B는 외측(팁)영역에 적합한 익형으로 판단된다. 앞으로 기본익형을 풍동최대 측정 가능 풍속을 벗어나, 시뮬레이션을 통하여 로터 팁의 최고 선속도 영역까지 확대하여 각 받음각에 대한 양력계수의 특성을 분석하려 한다.
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CFD 시뮬레이션을 이용한 농용 회전익기의 로터블레이드 양력성능 예측
구영모 ( Young Mo Koo ),원용식 ( Yong Sik Won ),홍종근 ( Jong Geun Hong ),하이더바샤랏알리 ( H. B. Ali ),손창현 ( Chang Hyun Sohn ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1
무인 헬리콥터의 양력을 개선하기 위한 익형 설계 단계로서 두꺼운 익형(V1505A)과 얇고 처진 익형(V2008B)의 기본 두 익형의 특성을 예측하는데 있어 회전하는 블레이드의 현실적 조건을 반영한 3D 모델을 마련하고 성능을 예측하였다. Fluent를 이용한 400 mm 선형모델의 시뮬레이션에서는 V1505A 익형은 높은 받음각에서 안정적인 특성을 보인 반면 V2008B는 비교적 높은 동력효율 특성을 보였으나, 높은 받음각에서는 실속 이후 양력이 급락하는 특성을 나타낸다. 형성된 노드 수는 약 870,000개로 하였다. 시위길이 135 mm인 익형 V2008B의 형상은 ANSYS (Fluent v16.2)를 이용해 반경(길이) 1,502 (1,380)mm 의 로터 블레이드를 구성하였다. 충분하지 않은 유동장이 익형 표면에서의 유동의 영향에 영향을 주지 않도록 직경 20 m의 원방경계(far field)를 형성하였다. 사용된 매쉬의 형태는 정사면체 형태로 로터 표면으로부터의 첫 번째 두께 높이는 0.001 m이고 10개의 층으로 형성하였다. 정지 비행하는 헬리콥터의 상태를 가정하여 회전좌표계를 이용하여 정상상태의 유동을 해석하고 사용된 난류모델은 넓은 영역에서의 유동을 고려하여 Realizable k-ε 모델을 사용하였다. 내측그립 받음각6~22°에 대하여 현실적인 회전속도를 연동하여 600~1000 rpm을 적용하였다. 반복수(iteration)는 2000으로 하여 잔차값(residual)이 충분히 수렴하도록 하였다. 전체적으로 실제 헬리콥터가 발휘하는 양력보다는 낮은 수치로 예측되었으며 모델 및 해석 조건에 대한 검토가 필요해 보인다. 양력 값은 받음각 10°에서 자중(약 68 kgf)을 극복하였고 받음각 12°에 유상하중 20 kgf을 발휘하며 888 N의 양력을 보였다, 이어 받음각 22°에서 실속 현상이 발생하였다. 받음각이 증가함에 따라 항력 역시 증가하였으며 받음각 12°에서 121 N이었고 실속에 이르며 항력은 갑자기 증가할것으로 예측된다. 본 연구는 변이 익형 개발의 선행 단계로 기본 익형에 대한 공력특성을 CFD 시뮬레이션을 통하여 예측하였다. 예측 값은 현실적 실험방법을 통하여 검증이 되어야 하며 이후 변이익형에 대한 예측과 설계가 가능하다.
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