전기추진 항공기용 프로펠러 블레이드 공력 형상 최적 설계 = Aerodynamic Shape Optimization of a Propeller Blade for Electric Aircraft

국문 초록 (Abstract)

전기추진 항공기는 탄소배출 저감과 에너지 효율 향상 측면에서 차세대 항공기 기술로 주목받고 있다. 하지만 배터리의 낮은 에너지 밀도로 인해 제한된 출력 조건에서 충분한 추력을 확보하기 위해 순항 조건에서 높은 효율을 갖는 프로펠러 블레이드 형상을 설계하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 NASA X-57 Maxwell 전기추진 항공기의 Mode II 순항 조건을 대상으로, 고도 8000ft, 비행 속도 150knot에서 운용 가능한 고효율 프로펠러 블레이드 형상을 최적화하고 공력 성능의 검증을 진행하였다. 이를 위해 프로펠러 블레이드의 형상을 결정하는 chord 및 twist 분포를 설계변수로 정의하고, 3차원 보정 모델을 적용한 Blade Element Momentum Theory(BEMT)를 기반으로 한 성능 예측 모델을 구축하였다.
최적화 과정에서는 다목적 유전 알고리즘인 NSGA-II를 사용하였으며 추력과 프로펠러의 효율을 목적함수로 설정하여 Pareto 최적 해 집합을 도출하였다. 도출된 Pareto front 상의 설계 해들 중, 목표 추력 조건을 만족하며 효율이 가장 높은 설계점을 최적해로 선정하였다. 선정된 설계점에 대해서는 BEMT 기반 최적화 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 RANS 방정식 기반의 CFD 해석을 수행하였다.
CFD 해석 결과, BEMT와 CFD 결과 간의 추력 및 토크 분포가 전반적으로 양호한 일치성을 보였으며, 프로펠러 효율에서는 대략 1%정도의 작은 오차범위로 일치하는 것을 확인하였다. 이를 통해 BEMT와 NSGA-II 기반 최적화가 전기추진 항공기용 프로펠러 블레이드의 공력 형상 설계에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Electric propulsion aircraft have attracted significant attention as next-generation aviation technologies due to their potential for reducing carbon dioxide emissions and improving energy efficiency. Due to the low energy density of the battery, it is essential to design a high-efficiency propeller to secure sufficient thrust under limited thrust conditions. In particular, energy consumption in the cruise mode greatly affects the overall flight performance, it is important to design a propeller blade shape with high efficiency under cruise conditions.
In this study, a high-efficiency propeller blade for electric propulsion aircraft was optimized and its aerodynamic performance was validated under the cruise operating conditions of the NASA X-57 Maxwell Mode configuration, corresponding to an altitude of 8,000 ft and a flight speed of 150 knots. The chord and twist distributions, which define the propeller blade geometry, were selected as design variables. low-fidelity aerodynamic performance prediction model based on Blade Element Momentum Theory(BEMT) applying three-dimensional correction models was developed to evaluate the aerodynamic force of designed blades.
To perform a global search of the nonlinear design space with multiple design variables, the genetic algorithm NSGA-II was adopted. Thrust and propeller efficiency were defined as the objective functions, and a set of Pareto-optimal solutions was obtained. Among the solutions on the Pareto front, the design point that satisfied the target thrust requirement while achieving the highest efficiency was selected as the final optimal configuration. To assess the reliability of the BEMT-based optimization results, computational fluid dynamics (CFD) analyses based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations were conducted for selected designs.
The CFD results showed good agreement with the BEMT predictions in thrust and torque distributions, demonstrating that the BEMT and NSGA-II based optimization framework can be effectively applied to the aerodynamic shape design of propeller blades for electric propulsion aircraft. Keywords: Electric Aircraft, Propeller, Computational Fluid Dynamics, BEMT, NSGA-II, Blade Shape Optimization

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 1
• 제2절 연구 목적 및 내용 3
• 제2장 BEMT 6
• 제1절 BEMT(Blade Element Momentum Theory) 6
• 1. momentum theory 6
• 2. blade element theory 9
• 3. Blade Element Momentum Theory 11
• 4. 유도속도의 수치적 계산 14
• 제2절 3D correction 15
• 1. Tip-loss factor 15
• 2. stall delay model 16
• 제3절 BEMT 검증 18
• 1. 검증 모델 18
• 2. 2D 익형 데이터베이스 생성 20
• 3. 검증 결과 21
• 제3장 CFD 해석기법 및 검증 24
• 제1절 지배방정식 24
• 1. Navier Stokes 방정식 24
• 2. RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 26
• 3. 난류 모델 30
• 제2절 수치 해석 기법· 31
• 1. 공간 이산화 기법 31
• 2. Roe’s FDS 기법 33
• 3. 시간 전진 기법 36
• 제3절 경계조건 37
• 1. 단열 점성 벽면 경계 조건 37
• 2. Riemann 불변 조건 37
• 3. velocity inlet, pressure outlet 38
• 4. 주기 경계 조건 39
• 제4절 3D 프로펠러 격자 수렴성 테스트 40
• 제5절 CFD vs BEMT 비교 45
• 제4장 프로펠러 플랜폼 최적화 48
• 제1절 최적화 방법 48
• 1. 최적화 모델 49
• 2. 목적함수 49
• 3. NSGA-II 50
• 4. 설계 변수 54
• 제2절 최적화 결과 56
• 1. 최적해 선정 56
• 2. CFD 검증 및 최종 설계점 선정 60
• 제5장 결론 70
• 참고문헌 72
• 부록 76
• [부록 1] Nomenclature 76
• ABSTRACT 78