프로펠러 구동 효과를 고려한 성층권 드론의 공력 특성 분석 및 공력 성능 개선에 대한 수치적 연구 = Investigation of Aerodynamic Characteristics and Performance Improvement of Stratospheric Drone Considering Power-On Effect

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 고고도 저레이놀즈수 환경에서 운용되는 EAV-4H를 대상으로 프로펠러 구동 여부 및 자세각 변화가 공력 성능과 정적 안정성에 미치는 영향을 수치적으로 분석하였다. OpenFOAM 기반 RANS 해석에 천이 모델을 적용하여 고도 12 km 야간 순항 조건을 모사하였으며, 프로펠러 회전 효과는 Actuator Disk Method로 구현하였다. 해석 결과, 프로펠러 후류에 의해 power-on 조건의 양력은 power-off 대비 약 3~5% 증가하였고, 항력은 약 5~15% 증가하였다. 옆미끄럼각 증가 시 날개 항력은 감소하였으나 수직 꼬리날개 영향으로 전체 항력은 증가하는 경향을 보였다. 이로 인해 양항비는 전반적으로 power-on 조건에서 감소하였으며, 유동의 비대칭성이 커질수록 프로펠러 구동 효과보다 비대칭 유동의 영향이 지배적으로 나타났다. 정적 안정성 분석 결과, 종방향 안정성과 방향 안정성은 전반적으로 유지되었다. 종방향 안정성은 power-on 조건에서 향상되었으나 비대칭 유동 조건에서는 그 효과가 완화되었으며, 방향 안정성은 프로펠러 구동에 유의미한 영향을 받지 않았다. 횡방향 안정성은 모든 조건에서 불안정하였으며, power-on 조건에서 불안정성이 강화되었다. 도출한 내용을 기반으로 개선된 나셀 형상을 적용하고, 선행연구를 참고하여 프로펠러 위치를 변경하였다. 그 결과 압력 항력 감소 및 추진–공력 간섭 감소로 인해 항력이 약 3.0~9.4% 감소하고, 양항비가 약 4.5~11.0% 향상됨을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study numerically investigated the effects of propeller operation and attitudevariations on aerodynamic performance and static stability of the EAV-4H operatingin a high-altitude, low-Reynolds-number environment. A transition model wasapplied to a RANS solver based on OpenFOAM to simulate the nighttime cruisecondition at an altitude of 12 km, and the propeller rotational effects wereimplemented using the Actuator Disk Method.
The results showed that, due to the accelerated slipstream, lift under thepower-on condition increased by approximately 3~5% compared to the power-offcondition, while drag increased by about 5~15%. As the sideslip angle increased,wing drag decreased; however, the total drag increased because of the increasedcontribution from the vertical tail. Consequently, the lift-to-drag ratio generallydecreased under the power-on condition, and as flow asymmetry intensified, theinfluence of asymmetric flow became more dominant than the effect of propelleroperation.
The static stability analysis indicated that longitudinal and directional stabilitywere generally maintained. Longitudinal stability was enhanced under the power-oncondition but weakened under asymmetric flow, while directional stability was notsignificantly affected by propeller operation. Lateral stability was unstable underboth conditions, and this instability was further amplified under the power-oncondition.
In addition, the improved nacelle shape was applied based on the derivedanalysis, and the propeller position was adjusted with reference to prior studies. Asa result, pressure drag was reduced and propulsion–aerodynamic interference wasmitigated, leading to a drag reduction of approximately 3.0–9.4% and animprovement in the lift-to-drag ratio of about 4.5–11.0%.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 선행 연구 3
• 가. 저레이놀즈수 유동 3
• 나. 프로펠러 구동 효과 4
• 다. 구성 요소 형상 설계 5
• 3. 연구 목표 및 내용 6
• Ⅱ. 유동 조건 및 해석 방법 7
• 1. 유동 조건 7
• 2. 해석 방법 8
• 가. 천이 모델 8
• 나. Actuator disk method (ADM) 11
• Ⅲ. 프로펠러 구동 효과 16
• 1. 해석 형상 16
• 2. 격자 수렴성 테스트 18
• 3. 공력 성능 비교 21
• 4. 정적 안정성 비교 31
• Ⅳ. 구성 요소 최적 설계 36
• 1. 나셀 형상 설계 36
• 가. 형상 정의 및 형상 생성 36
• 나. 해석 결과 38- i
• 2. 프로펠러 위치 선정 43
• 3. 구성 요소 설계 결과 적용 44
• 4. 공력 성능 개선 결과 47
• Ⅴ. 결론 50
• 참고문헌 52
• Abstract 56