The flow field around a rotor is very complex due to the unsteadiness of the complex rotor wake and mutual aerodynamic interferences. Prediction of aerodynamic performance of rotor, not only rotor loading but also rotor wake in computational fluid dynamics is still an important issue and also very challenging. To numerically simulate aerodynamics of rotor-airframe interaction in a rigorous manner, we need to solve the Navier-Stokes system for a rotor-airframe combination as a whole. This often imposes a serious computational burden since rotating blades and a stationary body have to be simultaneously dealt with. An efficient alternative is to adopt a momentum source method in which the action of rotor is approximated as momentum source over a rotor disk plane in a stationary computational domain. This makes the simulation much simpler. In the present study, a fully coupled unsteady momentum source method for the unsteady Navier-Stokes solver without additional model for induced velocity is developed. The unsteady momentum sources are distributed along a radial and chordwise direction considering the chordwise force distribution of an airfoil. The momentum sources are computed based on blade element theory which employs tabulated 2-D aerodynamic data for the airfoils sections of the blade. To validate the present method, a finite wing, a rotor in hover, a rotor in forward flight, and rotor-airframe in forward flight were computed. The results of the simulation are compared with the experimental data and those of the full Navier-Stokes simulation with body fitted grid system. It is shown that the present momentum source method yields results as good as those of the body fitted grid system.
Simulation of vortical wake generated from the blade tip is also an important subject in rotor aerodynamics. The blade-vortex interaction and interaction between vortices and adjacent body are main sources of noise and vibration of the rotorcraft. Therefore, the accurate prediction of the rotor wake is a very important issue. It is well known that the conventional two equation turbulence models perform rather poorly in computing vortical wake of a rotor. This study investigates the performance of the non-equilibrium eddy viscosity model, proposed by Yoshizawa et al.[42], for the simulation of the vortical wake of finite wind and hovering rotor, and compared with the standard k-ε model. The non-linear k-ε model proposed by Suga[39,40] is applied for the simulation of rotor-airframe interaction using the present momentum source method and the results are compared with those obtained by adopting the standard k-e model. The results show that the non-equilibrium eddy viscosity model and the non-linear k-e model perform much better than the standard k-ε model in predicting wake flow field.
헬리콥터 주위의 공기 역학은 기본적으로 3차원, 비정상 유동이고 여러 가지 상호 간섭작용이 존재하기 때문에 아직까지 실험과 해석으로 구현하기가 어려운 문제 중 하나이다. 헬리콥터의 공력 하중뿐만 아니라 여러 가지 간섭작용을 잘 예측하는 것은 로터-기체의 공기역학적 특성과 성능을 이해하는데 필수적이다. 로터-기체의 간섭작용을 정확하게 해석하기 위해서는 점성 효과도 고려되어야 하며 로터 블레이드의 끝단 와류의 발생 및 변화 과정도 잘 예측하여 로터 후류와 기체의 상호 작용도 잘 해석할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 Navier-Stokes 해석이 필요하다. 하지만 Navier-Stokes 해석에서 로터의 회전을 사실적으로 모사하기 위해서 중첩격자나 sliding 격자를 사용하게 되면 계산 시간과 비용은 증가하게 된다. 따라서 본 연구에서는 계산에 대한 요구가 크지 않은 actuator 디스크 방법 중, 모멘텀 소스 방법을 수정하여 새로운 모멘텀 소스 기법을 제안하고 이를 적용하여 더 사실적인 비정상 로터-기체의 간섭작용을 해석하고자 한다. 본 연구의 모멘텀 소스 방법은 익형의 시위 방향으로의 양력 분포를 고려하여 로터 블레이드의 모멘텀 소스를 분포시켰다. 로터의 회전과 끝단 와류에 의해 유도되는 속도 모두 계산된 유동장에 포함되어 있으며 이 계산된 유동장으로부터 깃 요소에서의 국소 유효 받음각을 얻을 수 있으므로 별도의 유입류 모델이나 Prandtl의 날개 끝 수정 모델과 같이 3차원 효과를 위한 모델이 추가로 필요하지 않다. 모멘텀 소스 값은 깃 요소 이론과 익형의 Naver-Stokes 계산을 통해 생성한 공력계수 표(Look-up table)로 부터 얻어진다. 검증을 위하여 우선 유한한 길이를 가지는 날개 해석에 적용 하여 날개 단면에서의 양력 계수를 실험 결과 및 Navier-Stokes 해석과 비교였다. 다음으로 제자리 비행하는 단일 로터와 전진 비행하는 단일 로터에 대하여 비정상 모멘텀 소스 방법을 적용하였다. 로터-기체간의 간섭작용 해석을 위하여 Georgia Tech에서 실험한 로터-기체 형상에 대하여 본 연구의 모멘텀 소스 방법을 적용하여 해석하였다. Moving mesh 방법을 이용한 Navier-Stokes 해석도 수행하여 비정상 모멘텀 소스 방법 및 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 본 연구의 비정상 모멘텀 소스 방법은 실험 결과 및 다른 해석 결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.
로터-기체간의 간섭작용을 정확하게 예측하기 위해서는 로터 후류와 기체의 충돌을 잘 해석할 수 있어야 한다. 최근 전산 유체 역학에서 많이 쓰이고 있는 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes Simulation)는 끝단 와류를 빨리 소산시켜 후류에서 끝단 와류를 정확하게 예측하지 못한다. 많은 격자를 사용하여도 RANS의 끝단 와류의 빠른 소산을 해결할 수 없다. 이는 표준 k-ε 모형, 표준 k-w 모형, Spalart-Allmaras 모형과 같은 RANS 계열의 난류 모형의 문제로 판단되어 본 연구에서는 끝단 와류 해석에 더 효율적인 난류 모형을 도입하고자 하였다. 와류 혹은 회전률이 강한 유동에 적합한 비평형 k-ε 모형, 비선형 k-ε 모형을, 그리고 기존의 RANS 계열의 난류 모형을 해석에 적용하여 끝단 와류가 잘 예측되는지 살펴보았다. 유한한 길이를 가지는 날개와 제자리 비행하는 로터 해석에는 Yoshizawa 등이 제안한 비평형 k-ε 모형과 표준 k-ε 모형을 적용하여 해석하였다. 모멘텀 소스 기법을 적용한 로터-기체간의 간섭작용 해석에는 Suga의 비선형 k-ε 모형과 표준 k-ε 모형을 적용하여 로터의 후류와 기체가 충돌하는 현상을 잘 예측할 수 있는지 살펴보았다. 그 결과 비평형 k-ε 모형과 비선형 k-ε 모형이 표준 k-ε 모형보다 끝단 와류 예측에 적합함을 알 수 있었다.
