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와류 발생 장치와 매개 변수 기법을 이용한 항공기 최적 설계
이준석,김은사,김종암 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11
본 연구에서는 유동 박리와 실속 현상을 억제하는 와류 발생 장치를 이용하여, 항공기 동체-날개 연결 부분에서 발생하는 junction vortex를 제거하고자 하였다. 항공기 날개 윗면과 동체에 와류 발생 장치를 설치하였으며, 파라메트릭 스터디를 바탕으로 와류 발생 장치의 형상과 위치에 대한 최적 설계를 수행하였다. 특히 와류 발생 장치를 독립적으로 고려하여 디자인을 통한 유동 특성의 향상 효과를 극대화하고자 하였으며, 매개 변수 기법을 이용한 기울기 기반의 최적 설계 기법을 적용하여 15개의 많은 변수를 다룰 수 있도록 하였다. 최적 설계 결과, 항공기의 양항비가 5% 이상 증가하였고 junction vortex의 크기 및 세기 또한 감소하였다. To eliminate detrimental phenomena of junction vortex, this study dealt with an installation of the vortex generator on the wing surface and the body surface. A design optimization of vortex generator was also conducted by using results of the parametric study for the position of the vortex generator as a baseline. Because this design needed many design variables to consider each vortex generator individually, adjoint based sensitivity analysis for the gradient based design optimization was adopted. As a result, lift-to-drag ratio of the target aircraft was increased over 5%, and the junction vortex was also weakened.
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전역 최적 설계 기법을 이용한 와류 발생 장치의 최적 설계 연구
김은사,김종암 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4
본 논문에서는 날개-동체 구조의 항공기에서 발생하는 정션 볼텍스를 제거하기 위하여, 유동 제어 장치 중 하나인 와류 발생 장치를 최적 설계하는 연구를 수행하였다. 특히 설계 결과를 통해 날개 윗면에 설치하는 와류 발생 장치의 개수에 대한 영향을 살펴보고자 하였고, 이를 위해서는 와류 발생 장치를 설계 변수로 고려해야 하기 때문에 전역적 설계 방법을 사용하였다. 와류 발생 장치의 경우, 와류 발생 장치의 수학적 모델을 적용하여 유동 해석을 수행하였다. 목적 함수로는 양항비를 채택하여 최적 설계를 수행하였고, 그 결과 정션 볼텍스를 상당 부분 제거하였으며 양항비가 약 2% 증가하여 항공기의 성능이 향상되었다. 또한 와류 발생 장치의 설치 개수가 성능에 미치는 영향을 분석하였다. For the purpose of removing the junction vortex on DLR-F6 wing-body configuration, a study on design optimization of the vortex generator was conducted. In particular, to investigate effects of the number of vortex generators installed on wing upper, the global optimization method, which can consider the number of VGs as design variable, was adopted. For flow analysis on VGs, VG source term model was used, which is more efficient than full gridded analysis. Through the design optimization, the shrinkage of junction vortex was verified and the aircraft performance, which can be indicated by the ratio of lift to drag, was increased over 2%. The importance of the number of vortex generator on design performance was also examined.
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와동 플랩 삼각날개를 이용한 관내 와류 발생장치 설계 및 수치해석
김명호(Myung-Ho Kim) 한국항공우주학회 2007 한국항공우주학회지 Vol.35 No.9
본 연구에서는 압력 왜곡과 유동각 왜곡을 모사하기 위하여 삼각날개를 이용한 와류 발생장치를 설계하였다. 삼각날개는 목표한 와류코어 위치와 압력왜곡율(DC90), 와류각을 만족하기 위해 후퇴각 65˚를 사용하였으며, 와류의 분포 영역을 넓히기 위해 삼각날개 전단면에 45˚ 와동 플랩을 적용하였다. 제작된 와류 발생장치는 시뮬레이션 덕트를 적용한 유동 왜곡 시험에서 전압력 왜곡율의 설계 요구조건을 만족하였으며, 시험 결과로부터 검증 된 전산유체해석 결과를 이용하여 와류코어 위치와 와류각의 목표 성능을 확인하였다. In this study, a swirl generator using delta wing was developed in order to simulate total pressure distortion and flow angle distortion. The delta wing was used for 65°-degree sweep back angle to satisfy the design performance for vortex core position, total pressure distortion(DC90) and swirl angle. To extend the swirling flow area, a 45°-degree vortex flap have applied to the delta wing. The swirl generator satisfied the design requirement of distortion coefficient in the flow distortion test to be applied to the simulation duct, and the performances of distortion for vortex core position and swirl angle using CFD(computational fluid dynamics) analysis results that was verified by flow distortion test results.
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블레이드 팁 표면 오염과 와류 발생장치가 풍력터빈 연간발전량 및 피로 하중에 미치는 영향
김성건(Seongkeon Kim),임희전(Heejeon Im),김범석(Bumsuk Kim) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7
풍력터빈 블레이드는 다양한 외부환경의 영향으로 표면 오염이 발생하며, 많은 선행 연구를 통해 이러한 오염이 풍력터빈 출력손실을 증가시키는 원인으로 보고되었다. 본 연구에서는 이러한 문제의 대안으로 와류 발생장치를 주목하였다. 와류 발생장치는 대표적인 패시브 제어장치로서 특정 형상이 블레이드에 부착되어 유동 흐름을 제어하여 공력성능을 향상시킨다. 따라서 본 연구에서는 CFD 해석과 하중 해석을 통해 블레이드 팁 에어포일 오염 조건과 오염 조건에 와류 발생장치를 적용하였을 때의 출력 및 피로 하중 변화를 정량적으로 분석하였다. Khalfallah 등의 수행한 연구를 참조하여 오염 증착 높이에 따른 오염 조건(R case1, R case2)과 Timmer 등의 연구를 참조하여 모델링한 와류 발생장치를 오염 조건에 적용한 해석 조건(RVG vase1, RVG case2)을 정의하였다. CFD 해석을 통해 각 조건의 에어포일 공력데이터를 확보하였으며, 이를 풍력터빈 블레이드 팁에 적용하여 공탄성 프로그램을 이용한 하중 해석을 통해 각 조건의 출력 곡선과 피로 하중을 확보하였다. 출력 곡선과 레일리 분포를 이용하여 연간발전량을 분석한 결과, 연평균 풍속 5m/s에서 RVG case의 연간발전량이 대응하는 R case 대비 각각 1.1%, 1.8% 증가하였다. 블레이드 루트 영역 플랩와이즈(flawise) 방향 피로 하중(DEL)의 경우 풍속 11m/s에서 RVG case가 대응하는 R case 대비 각각 1.4%, 2.8%증가하였다.
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항공기 Junction Vortex 제어를 위한 Vortex Generator 최적 설계 연구
이준석(J. Yi),김은사(E. Kim),김종암(C. Kim) 한국전산유체공학회 2013 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5
A vortex located in a junction of wing-body configuration decreases the overall performance and stability of an aircraft. To eliminate this detrimental phenomenon, this study dealt with an installation of the vortex generator on the wing surface and the body surface, and the parametric study for the position of the vortex generator was performed. By adopting the results of this parametric study, a design optimization of vortex generator was also conducted. Because this design included a large number of design variables to consider each vortex generator individually, adjoint based sensitivity analysis for the gradient based design optimization was adopted. As a result, the aerodynamic performance of the target aircraft was substantially over 5%, and the junction vortex was shrunk and weakened enough.
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