Parametric Study of Two Rotor Cycloidal Blade System Using CFD Analysis for Cyclocopter Forward Flight

Abstract

사이클로콥터는 사이클로이달 블레이드 시스템을 활용한 수직이착륙 비행체이다. 사이클로이달 블레이드 시스템은 블레이드 스팬 방향과 평행한 축을 기준으로 피치각을 가변하며 회전하는 블레이드들로 구성되어있다. 서울대학교 항공우주구조연구실에서 개발된 사이클로콥터는 최대 피치각과 위상각이 각각 따로 제어되는 4개의 로터로 이루어져있다. 각각의 로터는 4개의 블레이드로 이루어져있으며 추력과 추력방향은 각각 최대 피치각과 위상각을 통해 제어된다. 해석에 사용된 사이클로콥터는 탠덤방식의 두개의 로터가 서로 가까이 배치되어 있기 때문에 호버링이나 전진비행시 두 로터의 유동에 간섭이 생길 수 있다. 그러므로 각각의 비행여건에 맞는 피치각이나 위상각에 대한 제어조건을 결정하기 위해선 두 로터사이의 유동에 대한 이해가 반드시 필요하다. 본 논문에서는 전산유동해석을 통해 두개의 로터로 이루어진 사이클로이달 시스템에 대한 연구를 수행하였다. 또한 회전시 가변하는 블레이드 피치각을 고려하기위해 비정상 해석기법을 사용하였으며 해석모델은 전체 기체의 절반에 해당되는 앞쪽과 뒤쪽의 두개의 로터를 이차원 유한요소 모델로 구성하였다. 해석에는 상용해석 프로그램인 ANSYS Fluent가 사용되었으며 후처리에는 ANSYS CFD-Post가 사용되었다. 회전중에 가변하는 블레이드의 피치각을 구현하기 위해 ANSYS Fluent의 사용자 정의함수(UDF)와 Sliding Mesh 기법을 사용하였다. 각각의 블레이드와 로터는 슬라이딩 인터페이스을 가진 원형의 영역으로 모델링 되었다. 두개의 로터로 구성된 시스템은 한 개의 로터로 구성된 시스템과 비교해 해석결과에 있어 추력이나 효율, 유동의 형태 등에서 차이를 가지게 된다. 전진 비행시 뒤쪽 로터로 향하는 유동의 형태는 앞쪽의 로터와 다르며 이로 인해 앞뒤 로터 간의 추력불균형이 생기게 될 수 있다. 이러한 추력불균형의 정도는 비행속도와 자세, 방향 등에 따라 달라질 수 있다. 전진 비행중 앞뒤 로터 간의 추력불균형을 해소하기 위해서는 뒤쪽의 로터가 앞쪽 로터에서 생긴 유동에 영향을 덜 받을 수 있도록 기체를 앞쪽으로 기울일 필요가 있다. 또한 안정적인 비행자세의 유지를 위해 각 로터의 피치각과 위상각이 각각의 비행조건에 맞게 적절히 정해져야 한다. 본 연구의 주된 목적은 비행속도와 피치각, 위상각, 그리고 비행자세 등의 조건을 다양하게 적용시켜가며 두개의 로터로 이루어진 사이클로이달 시스템의 유동해석을 통해 사이클로콥터가 전진비행시 가질 수 있는 거동특성을 파악해보고 이를 추후 제어 알고리즘에 적용하고 활용하는데 있다. 따라서 이번 해석은 다양한 피치각과 위상각 조건들의 해석을 통해 각각의 비행속도와 자세에 맞는 안정적이고 효율적인 비행조건을 찾는데 그 목표를 가지고 수행되었다. 결과적으로 이번 해석을 통해 사이클로콥터의 전진비행시 거동적 특성을 확인할 수 있었고 로터의 추력 및 효율을 통해 차세대 비행체로서의 운용가능성을 확인 할 수 있었다.

The cyclocopter is an aircraft that is capable of vertical take-off and landing using a cycloidal blade system. The cycloidal blade system consists of variable pitch blades that rotate around an axis which lies parallel to the spanwise direction of the blades. The model cyclocopter developed by Seoul National University has four rotors and maximum pitch angle and phase angle of the blades in each rotor are individually controlled. Each rotor has four blades and the controlled maximum pitch and phase angles are related to the magnitude and the direction of thrust force, respectively. In the modeled cyclocopter, two rotors are placed next to each other as a tandem type and the distance between the two is very close. Therefore, there is flow interference between the rotor during the hovering or the forward flight. It is necessary to understand the flow structure between those rotors to establish a control algorithm, which includes determining proper maximum pitch angle and phase angle for each flight situation. In this paper, CFD analysis is used for parametric study of two rotor cycloidal system. It was conducted with a transient method because the blades change its pitch angle periodically during a rotation. A two-dimensional finite volume mesh system contains front and rear rotors which is half of the modeled cyclocopter. Note here that only two rotors are needed for the two-dimensional CFD study since the other two rotors are aligned repetitively. Commercial softwares, ANSYS Fluent and ANSYS CFD-Post, were used for flow solving and post processing. To change pitch angle of the blades during a rotation that has a sinusoidal profile, a user defined function (UDF) was integrated into the Fluent as well as a sliding-mesh method. Each blade and each rotor are meshed with circular rotating zone that has a sliding interface with larger surrounding mesh system. Result from the two rotor system is different from a single rotor system in terms of force magnitude, efficiency of the system, and flow structure such as induced flow direction. In the forward flight case, rear rotor feels quite different incoming flow than the front rotor. This behavior can cause a failure due to imbalanced force of rotors. The degree of imbalance varies with velocity, posture, and flying direction. In order to overcome the imbalanced force of rotors, the flight posture should be tilted to forward to release the rear rotor from the downwash effect. In addition to this, the different pitch and phase conditions must be applied on those two rotors to maintain a stable flight. The major purpose of current analysis is to study the flows of the two-rotor cycloidal system and to obtain the dynamic characteristics of the rotors on various conditions in which velocity, pitch angle, phase angle, and posture are different. Hence, it is important to understand flow structures to predict flight stability and to build up control algorithm. The case studies will be followed to attain the most effective and efficient pitch angles and phase degrees for given velocity and posture conditions.