동축반전 프로펠러의 파라미터 효과와 유동 특성에 관한 전산해석 연구 = CFD Study on the Parametric effects and Flowing Characteristics of Coaxial Propellers

국문 초록 (Abstract)

회전익 항공기 중 하나인 동축반전 프로펠러형 멀티콥터는 단일 프로펠러에 비해 회전면 하중이 커서 비행체의 크기가 작다는 점과 회전익기에서 가장 문제가 되는 볼텍스링 상태(Vortex Ring State ; VRS)에 잘 들어가지 않는 장점 그리고 비행 시 안전성 등에 의해 많이 사용 되고 있는 플랫폼이다.
본 논문에서는 경량 항공기급의 무게를 갖는 멀티콥터형 PAV(Personal Air Vehicle)에 사용될 동축반전 프로펠러의 상·하 프로펠러 사이 간격 및 단일 프로펠러의 CFD 해석을 통해 최적 피치각을 선정한 후, 동축반전 프로펠러를 해석함으로써 하부 프로펠러의 최적 피치각을 선정하였다.
또한 추가적으로 계산한 요구 동력을 사용하여 Interference-Induced Power Factor()추정하여 성능에 영향을 미치는 변수에 따른 결과를 비교하였다.
개념 설계한 기체의 MTOW(Max Take-Off Weight)에 따른 필요동력과 제자리 비행 항속시간을 추정하면 모멘텀 이론과 CFD 해석결과를 비교하여 CFD 추정 결과가 모멘텀 이론으로 계산한 결과에 비해 비행시간이 감소하는 것으로 예측된다. 이는 중형 드론에 있어 배터리 에너지 추진 방식의 한계를 명확하게 보여주었다. 유상하중 또는 비행시간의 증가를 위해서는 멀티콥터와 다른 플랫폼 또는 다른 에너지원을 요구로 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

One of the types of rotor aircraft, the coaxial propellers type multi-copter is a platform that is widely used due to the large rotational plane load relative to a single propeller, the advantages of not entering the most problematic ball-tasting state in the rotorcraft and flight safety.
In this study, the optimal pitch angle of the lower propeller was selected through CFD(Computational Fluid Dynamics) analysis of the single propeller and the gap between the Upper and Lower propellers of the coaxial conduction propeller to be used in the multi-copter type PAV(Personal Air Vehicle) with weight of the lighter aircraft class, and the optimal pitch angle of the lower propeller was selected by interpreting the coaxial propellers. In addition, the Interference-Induced Power Factor() discussed in the previous preceding study was calculated using CFD analysis and presented in a different way to compare the results of variables affecting performance.
The Momentum Theory and CFD analysis results were compared by estimating the required power according to the MTOW(Max Take-Off Weight) of the concept-designed fuselage, and the CFD estimation results indicate a reduction in flight time compared to the Momentum Theory results. The study clearly showed limitations of battery energy propulsion method in medium-sized drones.Payload or flight time for the increase in multi and eight other energy sources or other sources of energy to at the request.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.1.1 프로펠러 성능 검토용 개인비행체 2
• 1.2 관련 연구동향 4
• 제 2 장 회전익 이론 7
• 2.1 단일 프로펠러 7
• 2.2 동축반전 프로펠러 11
• 제 3 장 연구내용 및 방법 17
• 3.1 지배방정식 17
• 3.1.1 SST 난류모델 18
• 3.1.2 MRF (Moving Reference Frame) 21
• 3.2 해석에 사용된 프로펠러 형상 및 제원 23
• 3.3 수치기법 및 경계조건 25
• 3.4 계산 격자 27
• 제 4 장 제자리 비행조건에서 전산유동해석 30
• 4.1 전산유동해석 결과 30
• 4.1.1계산 파라미터 및 Case 수 30
• 4.1.2 단일 프로펠러 해석 결과 30
• 4.1.3 동축반전 프로펠러 해석 결과 32
• 4.1.4 최적 피치각 조건에서 Unsteady 해석 결과 41
• 4.2 Interference-Required Power Factor 43
• 4.3 모델링 된 비행체의 비행시간 추정 44
• 제 5 장 결론 48
• APPENDIX 50
• A. 200kgf 급 동축반전 프로펠러 시험장치 구성 50
• B. 시험 장치 도면 54
• 참고문헌 57
• Abstract 60