Aerodynamic solver using the transonic small disturbance (TSD) equation has frequently been used to perform practical aeroelastic analysis for many aircraft models. For the more accurate aerodynamic and aeroelastic analyses using the TSD equation, several aerodynamic nonlinearity effects were coupled with the TSD equation. The aerodynamic nonlinearities considered in the present study are the nonisentropic, vorticity flow, and the viscosity of the boundary-layer flow models. The viscous effects were modeled by Green’s lag-entrainment equations for attached flows, and an inverse boundary-layer method was used for mild separated flows. In particular, the interactive boundary-layer coupling method was used to minimize the coupling error between the outer inviscid and inner viscous flows. For several thick airfoils and aircraft wings with strong shock waves, the aerodynamic analyses using the TSD equation coupled with the aerodynamic nonlinearities were verified with experimental data in the literature, and the results of the coupled TSD equation showed good agreements with experimental data than those of the TSD equation. Moreover, for an all-movable wing with freeplay, the aeroelastic analysis considering structural nonlinearities due to freeplay as well as the aerodynamic nonlinearities was performed. The fictitious mass (FM) method is used in order to apply a modal approach for an efficient structural analysis of the nonlinear structural models. The effects of structural and aerodynamic nonlinearities on the aeroelastic characteristics were investigated by comparing the limit cycle oscillation (LCO) responses obtained from the TSD equation and the coupled TSD equation.
천음속 미소교란(TSD, transonic small disturbance) 방정식을 이용한 공기력 해석은 많은 항공기 모델에 대하여 실용적인 공탄성 해석에 사용되어왔다. TSD 방정식을 이용한 공기력 해석과 공탄성 해석의 정확성을 높이기 위하여 공기역학적 비선형성을 TSD 방정식에 연계하였다. 본 연구에서 고려한 공기역학적 비선형성은 nonisentropic과 vorticity 유동 모델 및 경계층에 대한 점성 모델이다. attached 유동의 점성 효과를 고려하기 위하여 Green의 lag-entrainment 방정식을 이용하였고, 약한 박리 유동이 일어나는 경우에는 inverse 방법을 적용하였다. 특히, 반복적인 경계층 유동 해석 방법에서는 경계층 내부의 점성 유동과 외부의 비점성 유동의 경계에서 유동의 크기 차이가 최소가 되는 방법을 적용하였다. 강한 충격파를 갖는 두께가 두꺼운 익형과 날개 모델에 대하여 공기역학적 비선형성이 연계된 TSD 방정식을 이용하여 공기력 해석을 수행하여 여러 문헌들의 실험값과 비교하였다. 그 결과 기존의 TSD 방정식으로 얻은 공기력 해석 결과보다 매우 향상된 결과를 보였다. 또한, 유격을 갖는 전운동(all-movable) 날개에 대하여 공기역학적 비선형성뿐만 아니라 구조적 비선형성을 고려한 공탄성 해석을 수행하였다. 구조 비선형 모델의 효율적인 구조 해석을 위하여 가상 질량(FM, fictitious mass) 방법을 이용한 모달(modal) 접근법을 사용하였다. 기존의 TSD 방정식과 공기역학적 비선형성을 고려한 TSD 방정식으로 각각 얻은 제한주기진동 응답을 비교하여 구조적 비선형성뿐만 아니라 공기역학적 비선형성이 공탄성 특성에 미치는 영향을 살펴 보았다.
