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Computational Study on Active Flow Control using Synthetic Jet for Three-dimensional Aircraft Configuration
Synthetic jet을 이용한 3차원 날개 능동 유동제어에 관한 수치적 연구

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Authors
Kim, Minhee
Advisor
김종암
Major
자연과학대학 협동과정 계산과학전공
Issue Date
2014-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
CFDSynthetic jetActive flow controlFlow separationBWB configurationVortex structureSeparation control전산유체역학Synthetic jet능동 유동제어유동 박리동체-날개 혼합형상와류 구조박리 제어
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 협동과정 계산과학전공, 2014. 8. 김종암.
Abstract
본 연구는 3차원 날개 형상의 공력 성능을 향상시키기 위하여 synthetic jet을 이용한 공력 특성 향상 메커니즘에 관하여 수치적 연구를 수행하였다. 본 연구를 통하여 synthetic jet의 출구 형상에 따른 유동 특성 파악을 통해 유동제어에 효과적인 출구 형상을 도출하고, 이로부터 얻은 synthetic jet의 형상을 3차원 날개에 적용하여 고 받음각에서의 박리유동 제어 특성을 분석하였다.
Synthetic jet의 출구 형상은 jet vortex의 발달 과정 및 전체적인 jet momentum에 영향을 주기 때문에 유동제어 특성에 큰 영향을 미치는 요인 중 하나이다. 이에 유동제어에 효과적인 출구 형상을 도출하기 위해 평판에서 유입류가 존재할 경우 사각형과 원형 출구 형상에 대하여 jet vortex 유동 구조 및 유동제어 가능성을 분석하였다. 사각형 출구 형상의 경우, jet 출구 직후에서는 큰 와류를 발생시키지만 출구 끝에서 발생하는 회전 유동에 의해 jet에 의한 효과가 급격히 감소함을 확인하였다. 원형 출구 형상의 경우, 사각형 출구 형상보다 균일한 jet vortex를 생성하고 유입류 방향으로 보다 멀리까지 jet의 영향이 미치는 유동구조를 가지고 있어 사각형 출구 형상보다 유동제어에 효과적임을 확인하였다. 또한 원형 출구 형상의 hole gap과 hole diameter의 변화에 따른 유동 구조 및 유동 특성을 비교 분석함으로써 유동제어 효과를 극대화 할 수 있는 원형출구 형상을 도출하였다.
다양한 수치 해석 결과의 분석을 통해서 도출된 원형 출구 형상의 synthetic jet을 적용하여 동체-날개 혼합 형상의 유동제어를 수행하였다. 풍동 실험과 수치해석을 통해 받음각의 변화에 따른 3차원 날개의 유동 분석을 수행한 결과, 날개의 받음각 증가에 따라 앞전에서부터 발생한 와류유동은 붕괴하게 되며 날개 바깥쪽 부분에 서부터는 박리 유동이 발달함을 확인하였다. 이에 와류 붕괴 현상과 박리 유동을 제어하기 위하여 앞전 부근에 jet을 위치시켰다. 풍동
실험을 통하여 앞전에 위치한 jet을 모두 작동 시켜 유동제어 효과를 확인하였다. 또한 고성능, 저전력 구동을 위하여 jet의 개수에 따른 유동제어 성능을 평가하였다. 수치해석을 통하여 jet의 위치에 따른 유동제어 메커니즘을 확인하고 위치에 따라 유동제어를 수행할 경우 와류 붕괴 현상을 지연시키고 박리 유동을 제어할 수 있음을 확인하였다. 또한 고속에서의 유동제어 가능성을 확인하기 위하여 저속에서의 유동제어 전략을 고속에서 확장 적용하여 고속의 동체-날개 혼합형상에서도 효과적인 유동제어 방법을 통하여 고 받음각의 공력 성능을 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서 도출된 연구 결과는 유동제어에 효과적인 능동유동제어 시스템의 설계 및 무인 전투기 형상을 포함한 3차원 날개 형상의 공력 성능 향상 방안 수립에 활용될 수 있을 것이다.
The present study deals with flow characteristics of synthetic jets for efficient flow control performance. It consists of two parts: flow characteristics of synthetic jets depending on exit configuration and flow control using synthetic jets over Blended Wing Body (BWB) configuration.
In first part, flow characteristics of synthetic jets have been computationally investigated for different exit configurations under a cross flow condition. The exit configuration of a synthetic jet substantially affects the process of vortex generation and evolution, which eventually determines the mechanism of jet momentum transport. Two types of exit configurations were considered: one is a conventional rectangular exit, and the other is a series of circular holes. The interactions of synthetic jets with a freestream were performed by analyzing the vortical structure characteristics. The effectiveness of flow control was evaluated by examining the behavior of the wall shear stress. It was observed that the circular exit provides better performance than the rectangular exit in terms of sustainable vortical structure and flow control capability. According to a hole gap and a hole diameter of circular exit, comparative studies were then conducted with all the other parameters fixed. Detailed computations reveal that the hole gap yields a much more significant effect on flow characteristics than the hole diameter, which turned out to be relatively minor. Based on the strength and the persistency of jet vortices, the circular exit with a suitable hole gap formed critical jet vortices that beneficially affected separation control. This indicates that the flow control performance of circular exit array could be remarkably improved by applying a suitable dimensionless hole parameter.
Based on the results of exit configuration, the second part deals with flow control strategy over BWB configuration. Flow structures were examined by analyzing the baseline characteristics of BWB configuration when synthetic jet was off. Based on the aerodynamic data and flow structure, a strategy for flow separation control on BWB configuration was established. Based on the aerodynamic data and flow structure, synthetic jet actuators were installed to prevent leading-edge stall at a relatively high angles of attack. All-actuators-on case and selective-actuators-on case were examined to find effective flow control method. Two types of exit locations are considered for analyzing flow mechanism: one is outboard array jets, and the other is inboard array jets. The interactions of synthetic jets with a free stream were performed by analyzing the vortical structure and the surface pressure characteristics. The effectiveness of flow control was evaluated by examining the aerodynamic coefficient and flow structures. As a result, the vortex breakdown point is moved toward the outboard section by synthetic jets, and the separation flow shows a stable structure. Based on the flow structure in overall speed rage, flow control strategy of low speed flight is applied to flow control of high speed flight. This shows effective flow control strategy applicable to all speed flight.
Through numerical analyses on flow characteristics of synthetic jets, it is observed that the synthetic jets under suitable actuating conditions beneficially change the local flow feature and vortex structure to bring a significant improvement of the wing aerodynamics acting on the three-dimensional aircraft configuration in the stall angle.
Language
English
URI
https://hdl.handle.net/10371/125436
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Appears in Collections:
College of Natural Sciences (자연과학대학)Program in Computational Science and Technology (협동과정-계산과학전공)Theses (Ph.D. / Sc.D._협동과정-계산과학전공)
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