전역적 최적 설계 기법을 적용한 와류 발생 장치의 최적 설계

Abstract

본 논문에서는 날개-동체 구조의 항공기에서 발생하는 junction vortex를 제거하기 위하여, 유동 제어 장치 중 하나인 와류 발생 장치(vortex generator)를 최적 설계하는 연구를 수행하였다. 특히 날개 윗면에 설치하는 와류 발생 장치의 개수에 대한 영향을 살펴보고자 하였으며, 이를 위해 kriging model 및 GA를 이용한 전역적 최적 설계 기법(global optimization method)을 사용하여 와류 발생 장치의 설치 개수를 설계 변수로 고려하였다. 와류 발생 장치의 경우, 효율성을 위해 직접 격자화하지 않고 수학적 모델인 differential BAY model을 이용하여 유동 해석을 수행하였다. 목적 함수로는 항공기의 성능 지표 중 하나이고 junction vortex에 영향을 받는 양항비를 채택하였다. 이를 바탕으로 최적 설계를 수행하였고, junction vortex를 상당 부분 제거할 수 있었다. 양항비가 약 2% 증가하여 항공기의 성능 역시 향상하였다. 또한 와류 발생 장치를 통해 junction vortex를 제거하는 메커니즘 및 물리적 특성과 함께 설치 개수가 성능에 미치는 영향을 분석하였으며, 이를 통해 항공기 성능이 크게 향상될 수 있는 와류 발생 장치의 조건들을 찾아내었다.

To eliminate the junction vortex on DLR-F6 wing-body configuration, this paper conducted a design optimization of the vortex generator. Especially, the number of vortex generators installed on wing upper was considered as design variable in order to verify the effects of it. For this reason, the global optimization method with kriging model and GA was adopted. In flow analysis, we used the differentiable BAY model to replicate the real flow phenomena occurred by vortex generator. Through the design optimization, the junction vortex was eliminated considerably and the ratio of lift to drag which is one of the indicators of aircraft performance increased over 2%. The effects of the number of vortex generator on performance and the mechanism how the vortex generator eliminates junction vortex were investigated. Through this analysis, VG conditions increasing aircraft performance were also found.