Actuator disk method를 이용한 날개-프로펠러 상호 간섭효과 연구

Abstract

차세대 항공기로 전기 추진 항공기 개발이 활발히 이루어지고 있다. 하지만 배터리의 낮은 비에너지로 인해 전기 추진 항공기 운용에 제한이 있으며, 이를 해결하기 위해서는 날개와 프로펠러 공력 성능을 향상시키는 것이 중요하다. 트랙터 타입의 프로펠러를 사용하는 전기 추진 항공기의 경우 날개와 프로펠러 간 복잡한 상호 간섭 작용을 야기하며, 날개와 프로펠러 공력 성능에 크게 영향을 미친다. 본 연구에서는 상호 간섭 작용 간 날개와 프로펠러 공력 성능을 최대화하기 위해 파라메트릭 스터디를 진행하였으며, 여러 케이스를 효율적으로 해석하기 위해 Actuator disk method를 사용하였다. 두 가지 실험에 대해 해석자 검증을 진행하였으며, 날개와 프로펠러 상호 간섭 작용을 높은 정확도로 모사함을 확인하였다. 파라메트릭 스터디는 프로펠러 개수, 프로펠러 개수에 따른 회전 방향, 프로펠러 간격 및 날개 길이 방향으로의 위치에 대해 진행하였다. 프로펠러 개수에 대한 파라메트릭 스터디는 프로펠러가 1개, 3개, 5개 그리고 7개인 케이스에 대해 진행하였다. 프로펠러 개수가 증가하면서 상호 간섭 효과는 커졌고, 이로 인해 단일 날개 대비 양력과 항력은 각각 최대 32.6%, 66.7% 커졌다. 프로펠러의 경우 단일 프로펠러 대비 추력과 동력은 각각 최대 3.2%, 1.0% 커졌다. 결과적으로 날개 양항비는 감소하였으나, 날개 양력 대비 프로펠러 요구 동력비는 증가하였다. 프로펠러 회전 방향의 경우 모든 프로펠러가 같은 방향으로 회전하는 경우인 Co-rotating과 인접한 프로펠러 간의 회전 방향이 반대로 교차하는 경우인 Counter rotating 두 가지 케이스에 대해 진행하였다. 프로펠러 개수에 상관없이 Counter rotating은 Co-rotating에 비해 날개 양력과 항력이 모두 작았지만, 프로펠러 개수가 증가하면서 양력 차이는 감소하고, 항력 차이는 증가하였다. 결과적으로 개수가 증가함에 따라 양항비 차이는 감소하였으며, 프로펠러 개수가 7개인 경우 Counter rotating 시 양항비는 Co-rotating 시 보다 0.5% 증가하였다. 반면, 프로펠러 공력 성능은 회전 방향에 따른 차이가 없었다. 프로펠러 간격 및 위치의 경우 모든 프로펠러 간격이 등간격인 케이스, 프로펠러 간격을 조밀하게 하여 날개 끝단에 배치한 케이스, 끝단에 위치한 프로펠러를 제외한 나머지 프로펠러 간격을 조밀하게 하여 날개 중앙에 배치한 케이스로 총 세 가지 케이스에 대해 진행하였다. 두 번째 케이스의 경우 첫 번째 케이스보다 날개 양력은 증가하지만, 항력 또한 증가하였다. 하지만 끝단 프로펠러와 간격을 멀게 유지하는 세 번째 케이스는 첫 번째 케이스보다 양력은 증가하되 항력은 감소하였으며, 결과적으로 양항비는 2% 증가하였다. 반면, 프로펠러 공력 성능은 프로펠러 간격 및 위치에 따른 차이가 없었다.

Electric propulsion aircraft is being developed as next-generation aircraft. However, operation of electric propulsion aircraft is limited due to low specific energy of the battery. To maximize aerodynamic performance of wing and propeller is important to overcome the limitation. For electric propulsion aircraft using tractor propeller, wing-propeller aerodynamic interaction is caused and have effects on the performances. In this research, parametric study had been done to maximize the performances under the interaction and simulated based on Actuator Disk Method(ADM) to save computational resources efficiently. Before study, the method validation was conducted for two experiments and it was confirmed that the interaction between wing and propeller was simulated with high accuracy. Parameters were number of propeller, propeller rotating direction with number of propeller and propeller interval and location. Parametric study on number of propeller was conducted for cases with 1, 3, 5, and 7 propellers. With more propellers, the interaction effect increased more resulting that maximum lift and drag of wing was increased by 32.6% and 66.7% compared to isolated wing and maximum thrust and power of propeller was increased by 3.2% and 1.0% compared to isolated propeller. As a result, the wing lift-to-drag ratio decreased, but ratio of wing lift versus propeller total power increased. In parametric study of propeller rotating direction, two cases were carried out: co-rotating, in which all propellers rotated in the same direction, inboard-up direction, and counter rotating, in which the rotating direction between adjacent propeller cross oppositely, inboard-up direction and outboard-up direction. Regardless of the number of propeller, counter rotating had both lower wing lift and drag than co-rotating, but as the number of propellers increased, the difference in lift decreased and the difference in drag increased. As a result, the difference in lift-to-drag ratio decreased as the number of propeller increased, and when the number of propeller was 7, the ratio increased 0.5% when counter rotating compared to when co-rotating. On the other hand, there was no difference in propeller performance according to rotating direction. In the study on propeller interval and location, there are three cases: first case where all propellers were spaced equally, second case where propellers were arranged at wing tip with dense propeller gap, and the last case where propellers were arranged at wing center with dens propeller gap excluding the propeller located at wing tip. In the second case, lift of wing was increased than that of the first case, but drag is also increased. However, in the third case, which kept the distance from propeller at wing tip farther apart, lift was increased but drag was decreased compared to the first case. On the other hand, propeller performance was unchanged according to propeller interval and location.