지면효과 조건에서 정지 비행하는 쿼드로터의 공력 특성 연구 = A Study on Aerodynamic Characteristics of a Quadrotor Hovering in Ground Effect (IGE)

국문 초록 (Abstract)

미래 항공교통을 포함한 VTOL 산업의 성장으로 VTOL의 지면 근접 운 용빈도가 증가하고 있으며, 지면 근접 시 형성되는 파운틴 플로우(fountain flow)와 아웃워시(outwash)는 사고로 직결될 수 있는 위험 요인 중 하나이 다. 그러나 단일 로터 기반 지면효과(IGE: In Ground-Effect) 이론은 멀티 로터 고유의 복합적 상호작용과 비정상 유동 특성을 충분히 반영하지 못하 며, IGE에 따른 성능 예측 및 아웃워시 위험도를 예측하는 데 한계가 있다. 본 연구는 저 레이놀즈수 특성을 갖는 DJI Phantom 4 프로펠러 기반 쿼 드로터를 대상으로 URANS 해석을 진행하였다. 해석에는 상용 전산 유체 해석 프로그램인 ANSYS Fluent 2024 R2를 활용하였으며, 정지 비행 상태 에서 상대 높이 H/D=2, 1, 0.75, 0.5, 0.25에 따라 해석을 수행하였다. 격자 밀도, 압력-속도 결합 및 압력 보간 방식 비교 결과, 조밀한 격자 조건의 Coupled–2차 압력 보간 조합이 후류 및 표면 공력 재현성에서 신뢰성 있 는 결과를 보였다. IGE 추력비 측면에서 쿼드로터는 H/D≥1에서 이론 모 델을 대체로 잘 추종하였으나, H/D≤0.75에서 이론 대비 최대 7.8%의 편 차가 발생하였다. 이는 중심부 파운틴 플로우의 비대칭 발달에 따른 로터 내/외측 하중 재배치와 인접 로터 간섭이 결합된 멀티로터 고유의 상호작 용 결과로 해석된다. 아웃워시는 H/D=0.75에서 순간 최대속도 14.04 m/s로 FAA EB-105A의 DCA 임계속도 15.4 m/s에 근접했으며, 방위각에 따라 아웃워시 고속대역 강도와 영향 반경이 달라지는 비대칭 분포를 관측하였 다. 마지막으로 추진통제 치수 D-p 기반의 아웃워시 최대속도, 유효 반경, 방위각 분포 등 정량 지표와 본 해석기법은 TLOF/FATO 크기 산정의 안 전여유, DCA 설정, 기체 접근 방향, 보행자 동선관리 등 버티포트 설계 및 운용 제한기준 수립에 활용 가능성을 시사한다. 주요어 : Quadrotor, IGE (In Ground Effect), Fountain flow, Outwash, URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 ⅰ
• 제목 목차 ⅱ
• 표 목차 ⅳ
• 그림 목차 ⅴ
• Nomenclature ⅸ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 국내외 연구 동향 10
• 1.2.1 국내 연구 동향 10
• 1.2.2 국외 연구 동향 12
• 1.3 선행 연구의 보완점 14
• 1.3.1 실험 및 실증 계측 중심 접근의 구조적 제약 14
• 1.3.2 실용적 예측 도구의 부재 14
• 1.3.3 IGE와 블레이드 공력특성 간 인과 분석 부족 15
• 1.4 연구 목적 및 방법 16
• 제 2 장 연구대상 프로펠러모델 17
• 2.1 모델 선정 17
• 2.2 해석 조건 18
• 제 3 장 전산유체역학 해석 21
• 3.1 전산유체역학 해석영역 및 경계 조건 21
• 3.1.1 회전영역 21
• 3.1.2 In Ground-Effect 23
• 3.1.3 Out of Ground-Effect 25
• 3.2 격자 생성 26
• 3.3 전산유체역학 해석기법 28
• 3.3.1 URANS 28
• 3.3.2 난류모델 30
• 3.3.3 회전체 해석 31
• 3.4 전산유체역학 해석자 설정 39
• 제 4 장 결과분석 45
• 4.1. 격자 밀도에 따른 결과 비교 46
• 4.2. 압력-속도 결합 및 압력 이산화에 따른 결과 비교 51
• 4.3. 지면 높이에 따른 결과 비교 59
• 4.3.1 단일 로터 IGE 모델과 다른 추력 특성 59
• 4.3.2 블레이드 내/외측 하중 재배치 62
• 4.3.3 유입비 분포 77
• 4.3.4 파운틴 플로우의 비대칭 구조 83
• 4.3.5 아웃워시의 형성과 비대칭 분포 93
• 4.3.6 아웃워시 정량 지표 및 버티포트 설계/운용 활용 가능성 100
• 제 5 장 결 론 119
• 참 고 문 헌 127
• ABSTRACT 132