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항공기 결빙보호장치 열해석을 위한 복합열전달 기법 연구

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Authors
김용환
Advisor
이관중
Issue Date
2020
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
항공기 결빙결빙보호장치방빙복합열전달결합 기법Aircraft IcingIce Protection SystemAnti-IcingConjugate Heat TransferCoupling Method
Description
학위논문 (석사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 항공우주공학과, 2020. 8. 이관중.
Abstract
결빙 조건에서 운항하는 항공기는 결빙보호장치가 반드시 설치되고, 장치 성능에 대한 인증이 요구된다. 설치 및 인증 과정에는 항공기 결빙이 주로 발생하는 날개, 창유리, 엔진 흡입구 등과 같은 특정 항공기 구성품들의 결빙보호장치에 대한 충분한 분석이 이루어져야 한다. 결빙보호장치에 대한 여러 분석 방법 중에서도 수치해석을 이용한 분석방법은 시간 및 비용 측면에서 효율적인 방법이다.
수치해석 연구는 주로 이용되는 열적 결빙보호장치에 대한 정확한 열전달 해석을 목표로 진행되어왔다. 이 해석은 물체 외부 표면의 결빙 시뮬레이션에 내부의 열전달 해석을 포함한다. 정확한 열전달 해석 결과를 위해서는 각각 열전달이 발생하는 영역 간의 결합 기법이 요구된다. 대부분의 선행 연구들은 시간 효율을 위해 연성 결합 기법을 사용하였다. 그러나 이러한 방식의 해석은 각 영역의 열전달이 외부 유동의 열 대류에 미치는 영향을 고려하지 못한다. 강성 결합 기법은 연성 결합 기법에 비해 계산 시간이 오래 걸리나, 결빙보호장치 해석 시 발생하는 열전달 해석을 모두 결합하여 해석할 수 있어 정확도 높은 결과를 얻을 수 있다.
따라서 이번 연구에서는 표면 위의 수막에 대한 상태변화 및 열전달이 고려되지 않는 건조 공기 조건에서의 강성 결합 기법을 통해 대류열전달계수를 구하는 방법을 이용하였다. 이를 이용하여 열적 결빙보호장치에 대한 방빙 해석을 진행하였다. 이후 실험 결과와 수치해석 연구와의 비교 분석을 수행하였다. 비교 분석을 통해 개발된 강성 결합 기법이 연성 결합 기법을 이용한 결과와 비교하여 열전달 해석 시 정확도가 향상됨을 보였다. 또한 개발된 해석 도구가 기존에 제시된 강성 결합 기법과 비슷한 성능을 가짐을 확인하였다.
For aircraft operating under icing conditions, Ice Protection System (IPS) must be installed, and certification of system performance is required. During the installation and certification process, sufficient analysis is needed for the IPS of specific aircraft components, such as wing, windshield, and engine inlet, in which icing occurs mainly. Among the methods of analysis on IPS, numerical analysis is a time-effective and cost-effective method.
Numerical analysis has been conducted to collect accurate heat transfer analysis for thermal IPS, which is mainly used. The analysis involves an internal heat transfer analysis in the icing simulation on the aircraft surface. For accurate heat transfer analysis results, the coupling method is required to analyze regions where heat transfer occurs. Most of the prior research used a loose-coupling method for time efficiency. However, the loose-coupling method does not take into account the effect of heat transfer in each region on the thermal convection of external flow. While the tight-coupling method takes longer to calculate than the loose-coupling method, it can combine all the heat transfer analyses in the IPS simulation process, resulting in high accuracy.
In this study, a convective heat transfer coefficient obtained by the tight-coupling method in dry air conditions without water film was used. An anti-icing analysis was conducted on thermal IPS with the tight-coupling method. A comparative analysis was then performed with experimental results and other numerical analysis studies. The tight-coupling method showed more excellent agreement with the experiments than the loose-coupling method. Furthermore, it is confirmed that the developed numerical method has the same performance as the previous tight coupling method.
Language
kor
URI
https://hdl.handle.net/10371/169375

http://dcollection.snu.ac.kr/common/orgView/000000163017
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