Numerical methods for aerodynamics analysis have been popularly researched and now provide an accurate result. However, they still have shortcomings. Euler and Navier-Stokes solver needs large number of grids and high-order scheme to minimize dissipation and diffusion errors. This causes huge computing time and resources. Panel Method is very fast. However, it cannot simulate viscous flow and has difficulty in transonic flow analysis.
The purpose of the present research is to examine capability of hybrid method in compressible, transonic, unsteady, vortex, and viscous flow simulation. Additionally, the author aims to develop a coupled Pan-el/Navier-Stokes solver with small grid domain size, which is fast and accurate. The fundamental idea to the coupling method is that Navier-Stokes solver can calculate the flow accurately even with very small grid if the boundary condition is well-imposed. The boundary value is obtained by using the Panel method.
The Panel method was coupled with the Euler/Navier-Stokes solver by providing induced velocity to boundary conditions. Afterwards, the surface potential of the panel is determined by using a Bernoulli equation and pressure information from the Euler/Navier-Stokes solver. Additionally, a linearized potential equation and a transformation method were used to correct compressibility effect to the Panel method. Steady incompressi-ble, subsonic compressible, transonic, unsteady, vortex and viscous flow were simulated respectively, and the coupling method was tested with reduction of grid domain size.
The results showed that the idea was correct, and the capability of the coupling method in transonic flow was proved. Also, a moving vortex was also well-simulated by using only induced velocity as boundary condition. The grid domain size could be reduced to 0.1 chord in the incompressible flow, 2.5~5 chord in transonic flow, and 1 chord in viscous flow. Consequently, the computing time was saved to 1/5~1/30 compared with that by using the conventional Euler/Navier-Stokes solvers.
The coupling method is expected to advance further by applying volume integral method. By solving Poisson equation instead of Laplace equation, the solver can be more powerful in transonic and viscous flow simulations even with very small grid.
본 연구는 2차원 패널 방법과 Euler/Navier-Stokes 해석자를 연계하여 작은 격자 영역만으로도 정확한 공력 해석이 가능함을 확인하는데 목적을 두고 있다. 비점성 비압축성 유동, 압축성 유동, 천음속 유동, 비정상 유동, 와류 유동, 점성 유동의 경우로 각각 분리하여 연계방법을 시험하고, 경우에 따라 500 c 및 50 c 크기의 격자를 사용하는 Euler/Navier-Stokes solver와 패널 방법의 해석결과와 비교하였다. 비점성 비압축성 유동의 경우 격자영역을 0.1 c로 줄일 수 있었다. 아음속 압축성 유동의 경우에는 1 c로 줄이면서도 기존 유한체적법과 비교하여 1/5 정도의 계산시간만으로 정확한 양력 및 압력 분포를 예측하는 것이 가능하였다. 천음속 영역에서도 마하수에 따라 2.5~5 c 로 격자 크기를 줄이는 것이 가능하였다. 이 경우에는 연계방법의 수렴속도가 빨라서 1/30~1/10배로 계산시간을 줄일 수 있었다. 이는 연계방법과 유한체적법에서 경계조건을 부여하는 방법이 다른 가운데 천음속 영역에서 그 차이가 수렴속도로 두드러지게 나타난 것으로 여겨진다.
비정상 유동의 경우, 천천히 움직이는 에어포일 주위의 유동을 해석하였으며, 0.01c 의 격자영역만으로도 정확한 공력 예측이 가능함을 확인하였다. 와류는, 정상 유동에서 임의의 지점에 와류가 위치할 때와 비정상 유동에서 와류가 격자 밖에서 들어와 나가는 경우에 대하여 해석하였다. 정상유동에서 와류가 격자 내부에 있을 경우에는 와류 코어 반지름에 대한 정보가 격자 영역 경계에 반영되지 않기 때문에 모사에 한계가 있다. 그렇지만 비정상 유동에서 와류가 격자로 들어가는 경우, 코어 반지름에 대한 정보도 함께 유도속도로 경계조건에 반영되기 때문에 와류가 잘 모사되는 것을 확인할 수 있었다.
이 연구를 통해 패널/유한체적법 연계 해석기법을 통해 압축성, 충격파, 비정상유동, 와류 유동에서 모두 정확한 공력 예측이 가능함을 증명하였으며, 추후에 유동 박리가 있는 점성 유동과 본 논문에서 검증된 여러 여건이 복합적으로 있을 경우를 해석함으로서 연계방법의 강건함을 확인할 수 있을 것이다. 또한 천음속 및 유동박리가 큰 점성 유동에서 더 작은 격자 영역에서 해석이 가능할 수 있도록, Poisson 방정식을 이용한 체적 적분법을 적용하여 그 가능성을 확인할 예정이다.
