In the present study, an unstructured mixed mesh flow solver was developed to simulate flow-fields around rotorcrafts more efficiently and accurately. For the spatial discretization, the flow solver utilized node-based finite volume method in the near-body domain, whereas, a cell-centered finite volume method was applied in off-body domain. The time integration was achieved by using an implicit Jacobi/Gauss-Seidel method. The Spalart-Allmaras one-equation model was used for turbulence modeling. ASARC(Approximate Spalart-Allmaras Rotational Correction) was also applied to overcome numerical dissipations of vortex core. An overset mesh technique was introduced to exchange flow variables between the two different types of mesh topologies.
To complement the weakness resulted from using single mesh topologies, the body-fitted pris-matic/tetrahedral cells are generated in the near-body flow domain and the adaptive Cartesian mesh is ap-plied in the off-body region. In near-body region, the unstructured mesh offers a great flexibility in handing complex geometric configurations, and also ensures proper mesh resolution for capturing the boundary layer. A high-order accurate WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory) scheme was adopted in the off-body domain. An adaptation mesh refinement scheme with a tree-based data structure was also employed on the Cartesian cells with the aim to further enhance the accuracy of the solution.
The validation of the unstructured mixed mesh flow solver was conducted with three difference shapes of S-76 rotor, such as swept-taper, rectangular and swept-taper-anhedral tip geometric. Simulation results of the S-76 rotor blades in hover were compared with experimental data in terms of thrust (CT), torque coefficient (CQ) and figure of merit (FM). The flow characteristics depending on the tip shape were also inves-tigated by examining the typical rotor flow features, such as tip-vortex trajectory, vortex core size, and first-passing tip vortex position. The application was also made to examine the effect of blade tip Mach number on the rotor hover performances.
본 연구에서는, 로터크래프트 주변 유동장을 정확하고 효율적으로 해석하기 위해 비정렬 혼합 격자계 유동 해석자를 개발하였다. 공간 이산화를 위하여, 해석 형상 주변 격자계는 격자점(node) 중심의 유한 체적법(FVM)을 적용하였고, 해석 형상 외부 격자계는 격자(cell) 중심의 유한 체적법을 사용하였다. 시간 적분을 위해 내재적 point Jacobi/Gauss-Seidel 기법을 적용하였다. 난류 해석을 위해 SA(Spalart-Allmaras) 1-방정식 모델을 사용하였다. 와류의 빠른 수치적 소산을 막기 위해 보정 기법의 하나인 ASARC(Approximate Spalart-Allmaras Rotational Correction)을 적용하였다. 서로 상이한 격자계간의 해석을 위해 중첩 격자 기법을 적용하였다.
단일 격자계 유동 해석자가 가지는 약점을 보완하기 위해 혼합 격자 기법을 사용하였다. 해석 형상 주변 격자계는 프리즘/사면체의 비정렬 격자를 사용하였고, 해석 형상 외부 격자계는 비정렬 적응 직교 격자를 적용하였다. 프리즘/사면체 격자를 사용하여 복잡한 해석 형상에 대해 격자 생성이 용이하게 하였고, 고차 정확도 WENO(Weighted Essentially Non-Oscillatory) 기법을 적응 직교 격자에 적용하여 고차 정확도 해석을 수행하였다. 트리(Tree) 기반의 데이터 구조를 직교 격자계에 적용하여 격자 적응(Adaptation Mesh Refinement)을 용이하게 하였다.
비정렬 혼합 격자계 유동 해석자의 검증을 위해 rectangular, swept-taper, swept-taper-anhedral 끝단 형상을 가지는 서로 다른 3개의 S-76 로터 블레이드에 대하여 해석을 수행하였다. 추력 계수(CT), 토크 계수(CQ), Figure of Merit(FM)과 같은 공력 실험 결과와 제자리 비행하는 S-76 로터의 해석 결과의 비교 수행을 통해 유동 해석자의 성능을 검증하였다. 또한, 각각의 끝단 형상에 대하여 끝단 와류의 궤적, 와류 중심의 크기와 같은 로터에서 발생하는 유동의 특성의 비교 분석을 수행하였다. 그리고 블레이드 끝단 마크(Mach) 수에 따른 로터의 성능 및 공력 특성의 변화에 대한 수치 연구 또한 수행하였다.
