결빙 풍동 시험을 위한 하이브리드 에어포일 최적 설계

Abstract

하이브리드 에어포일은 결빙 풍동 시험을 위한 실물 크기의 얼음 형상을 생성하는 데 사용되는 스케일 된 모델이다. 이는 collection efficiency 및 열전달계수의 분포와 같은 표면 특성을 실물 크기의 에어포일과 일치시킴으로써 가능하다. 기존 연구에서는 실물 크기의 정체 점의 위치 또는 액적의 궤도를 일치시키는 간접적인 방법을 사용했다. 따라서, 이러한 방법을 사용하게 되면 glaze 조건에서 하이브리드 에어포일의 얼음 형상이 실물크기의 얼음 형상과 차이가 발생할 수 있다. 얼음 형상의 차이가 발생하는 이유는 collection efficiency와 열전달계수의 분포를 정확하게 일치시키기 못하기 때문이다. 정확도를 향상시키기 위해 본 연구는 점성 난류 CFD-결빙 시뮬레이션을 이용하여 실물 크기의 collection efficiency와 열전달계수의 분포를 직접적으로 일치시킬 수 있는 방법을 제안한다. 계산 효율을 높이기 위해 차수 감소 모델링 기반의 최적화를 사용하여 분포를 일치시킨다. 제시된 최적 설계 방법은 LWC (liquid water content)가 높고 온도가 높은 glaze 결빙 조건에 적용된다. 결과를 통해, 열전달계수의 분포를 일치시키는 것은 glaze 조건에서 실물 크기의 얼음 형상과의 불일치를 최소화하여 결빙 터널 시험에서 더욱 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 위한 방법임을 확인한다. 또한 유동 박리를 허용하여 설계된 하이브리드 에어포일이 박리가 발생하지 않도록 설계된 것보다 더 작은 크기를 가짐을 보인다. 마지막으로, 다양한 받음각에 적용할 수 있는 하이브리드 에어포일 플랩 형상을 최적화 과정을 통해 설계한다. 그리고, 설계된 플랩을 사용한 하이브리드 에어포일의 얼음 형상이 실물 크기의 얼음 형상과 일치함을 확인한다.

A hybrid airfoil is a scaled model used to generate a full-scale ice shape for icing wind tunnel tests. This is possible by matching full-scale properties such as the distributions of collection efficiency and heat transfer coefficient. Previous studies have used indirect methods using full-scale stagnation point location or tangent droplet trajectories. Therefore, these methods can cause a discrepancy between the full-scale and hybrid airfoil ice shapes under glaze ice conditions; this is because it is difficult to accurately match the distributions of full-scale collection efficiency and heat transfer coefficient. To improve accuracy, this paper proposes an approach to match the distributions of the full-scale collection efficiency and heat transfer coefficient on the leading edge, using a viscous turbulent CFD-icing simulation. For computational efficiency, reduced-order modeling (ROM) based optimization was used to match the distributions. The optimization design process was applied to the glaze ice condition with a high LWC and temperature. It is concluded that matching the distribution of the heat transfer coefficient is highly recommended to minimize the discrepancy between both ice shapes to obtain more reliable results from icing tunnel tests under the glaze ice condition. Further, by allowing separation, the hybrid airfoil achieves a more compact size than that designed without separation. Finally, a hybrid airfoil flap geometry, which can be applied to various angles of attack, was designed using the optimization design process. The ice shape of the hybrid airfoil with the flap yields good agreement with the full-scale ice shape.