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항공기 익형 공력특성 향상을 위한 유동제어 기법에 관한 수치적 연구 = Numerical study about a flow control mechanism for the enhancement of aerodynamic characteristics of 2-D airfoils
서명 / 저자 항공기 익형 공력특성 향상을 위한 유동제어 기법에 관한 수치적 연구 = Numerical study about a flow control mechanism for the enhancement of aerodynamic characteristics of 2-D airfoils / 최성윤.
저자명 최성윤 ; Choi, Sung-Yoon
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2008].
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A flow control is one of the most attractive issues of modern applied aerodynamics, mainly due to the ability of enhancing the aerodynamic characteristics of existing airfoils. The active flow control mechanisms, such as continuous blowing, continuous suction, and pulsating jet control, can be used to improve airfoil performance through suppression of the airfoil stall as well as enhancing aerodynamic characteristics of airfoil below the stall. Also, it is easily applied to various flow conditions by adjusting its control parameters. A two-dimensional parallelized Navier-Stokes flow solver was developed for the simulation of unsteady flows including active flow control on unstructured meshes. The time advancement was achieved using second-order accurate implicit time integration based on a point Gauss-Seidel relaxation method. A dual time-step sub-iteration was employed to allow large time step in the unsteady calculation. A vertex-centered second-order accurate finite-volume method was used for the spacial discretization of the convective fluxes. For turbulence closure, Spalart-Allmaras turbulence model was employed. Mesh partitioning was conducted by the MeTis library, and data communication between each splitted local sub-domains was made by the MPI library. For the validation of the present numerical scheme, the calculations were made at various flow conditions around both stationary and harmonically oscillating airfoil, and the results are compared with existing experimental results. The present results under flow control are also compared with existing experimental results for checking the accuracy of flow control simulation. The systematic parametric studies about the effectiveness of active flow control parameters on flow control were conducted to increase understanding of active flow control with jet and to find more effective control mechanism. After parametric studies, selected flow control mechanism, two-slot control, was applied to both attached and separated flows for checking its effectiveness. The results showed that two-slot control has superior flow control characteristics to previous single flow control mechanisms for enhancing aerodynamic characteristics and suppression of the flow separation. The parametric studies about the jet flap control were also conducted to find more effective and efficient flow control mechanisms for enhancing the aerodynamic performance of airfoil at high Reynolds number flows. As a result, the blended control, combining the Gurney flap with jet flap, was suggested. The comparisons of the results for flow control characteristics between existing flow control mechanisms and blended control show that the blended control is superior to previous active flow control mechanimsns for enhancing aerodynamic performance of existing airfoil. Moreover, it is more efficient than previous flow control mechanisms. It shows dramatically increment of the aerodynamic performance, even consuming similar energy level to synthetic jet actuator. The aerodynamic characteristics of elliptic airfoils were numerically investigated at relatively high Reynolds numbers between $2.48\times10^5$ and $3.91\times10^6$ for freestream Mach numbers ranging from subsonic to transonic. It was found that in a fully turbulent subsonic flow, the elliptic airfoil exhibited poorer aerodynamic efficiency and inferior longitudinal stability characteristics, compared to an NACA airfoil with the identical thickness. On the other hand, in a transonic flow, the elliptic airfoil showed slightly better aerodynamic efficiency, but poorer longitudinal stability characteristics. Also, a relatively weaker shock wave was observed further downstream compared to the NACA airfoil. When the two-slot control, consisting leading-edge suction and blended control, was imposed on the 12% thick elliptic airfoil, the flows at the trailing was deflected to downward and the trailing-edge vortex on the upper surface moved toward downstream. Therefore, the lift was increased, mainly due to the increment of effective camber of the airfoil, and the drag was decreased caused by elimination of reversed pressure region at the trailing edge.

기존 익형의 공력 특성 향상을 위한 유동제어 기법은 근래의 유체역학 부분의 주된 관심사중의 하나이다. 연속적 블로잉, 연속적 흡입, 펄스제트와 같은 능동적 유동제어 기법들의 경우, 목적한 제한적인 유동조건에서 익형의 공력특성 향상을 나타내는 수동적 유동제어 기법들과는 달리, 유동제어를 위하여 부가적인 에너지를 요구하기는 하나 유동제어 요소들의 변화를 통하여 다양한 유동장에 대하여 적용할 수 있는 장점을 가진다. 본 연구에서는 기존의 능동적 유동제어 기법들에 비하여 더 효과적이며, 효율적인 유동제어 특성을 가지는 능동적 유동제어 기법 개발에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 제트를 이용한 능동적 유동제어 기법에 대한 수치적 모사를 위하여 2차원 압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하는 비정렬 격자계에 대한 병렬화된 수치해석 기법을 개발하였다. 수치해석 기법에서 공간차분을 위하여 격자점 중심(vertex-centered)의 유한 체적법(FVM, Finite Volume Method)을 사용하였고, 시간적분을 위하여 point-Gauss-Seidel 반복계산 기법을 이용한 2차의 내재적 시간적분 방법을 사용하였다. 계산시간 간격의 제한 조건을 완화하기 위하여 내재적 시간적분 방법을 사용하였으며, 비정상해의 해상도를 높이기 위하여 2차의 시간 정확도를 갖도록 차분화하였다. 정상유동의 효율적인 계산을 위하여 국부시간 전진기법(local time stepping)을 사용하였으며, 비정상 유동계산에서 비교적 큰 무차원 시간 간격을 사용하기 위하여 이중 시간전진 기법(dual time stepping)을 사용하였다. 난류 유동장에 대한 고려를 위하여 1방정식 S-A(Spalart-Allmaras) 난류 모형을 사용하였다. 병렬계산을 위한 수치해석 영역의 분할은 MeTis library를 이용하였으며, 분할된 부영역간의 자료교환을 위하여 MPI library를 사용하였다. 개발된 수치해석 기법의 검증을 위하여 정상 및 비정상 상태의 다양한 유동영역에 대한 기존 연구자들의 실험치와의 비교를 수행하였으며, 유동제어 기법의 모사의 정확성에 대한 검증 역시 수행하였다. 기존의 연구자들에 비하여 더욱 다양한 유동장에 대하여 제트를 이용한 능동적 유동제어 기법들의 유동제어 요소 변화에 따른 유동제어 특성의 변화에 대하여 체계적인 연구를 수행하여 그 결과를 제시하였다. 제시된 결과를 바탕으로 기존의 능동적 유동제어 기법들에 비하여 더욱 효과적이며 효율적인 이중슬롯을 이용한 유동제어 기법 및 혼합제어 기법을 이용한 유동제어 기법을 제시하였으며, 그 결과를 기존의 능동적 유동제어 기법의 결과들과 비교하여 제시된 유동제어 기법들의 우수성을 확인하였다. 레이놀즈 수 와 사이의 아음속부터 천음속에 이르는 다양한 유동장에 대하여 기존의 익형들과는 다른 형상적 특징으로 인하여 기존 익형들과는 다른 공력특성을 나타내는 타원형 익형의 공력특성에 대한 연구를 수행하여 비교적 높은 레이놀즈 수 유동장에서의 타원형 익형의 공력특성에 대하여 제시하였다. 뿐만 아니라 이중슬롯을 이용한 유동제어를 수행하여 유동제어에 따른 타원형 익형의 공력특성 향상에 대하여도 고려하였다."

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DAE 08003
형태사항 x, 158 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Sung-Yoon Choi
지도교수의 영문표기 : Oh-Joon Kwon
지도교수의 한글표기 : 권오준
수록잡지정보 : "Gurney 플랩과 제트 플랩을 혼용한 유동제어 기법에 관한 수치적 연구". 한국항공우주공학회지, Vol 35, No. 7, 565-574(2007)
수록잡지정보 : "Aerodynamic Characteristics of Elliptic Airfoils at High Reynolds Numbers". Journal of Aircraft, accepted for publication, (2007)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 152-158
주제 Flow Control;Two-Slot Control;Blended Control;Elliptic Airfoil;Unstructured Meshes
유동제어;이중슬롯 제어;혼합제어;타원형 익형;비정렬격자
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