이차원 단면 Cylinder는 외부유동상태에서 후류에 Vortex를 생성한다. 또한 비정상 유동 상태에서는 후류에 카르만 Vortex열을 생성한다. 이런 이차원 Cylinder는 여러 분야에서 사용 된다. 이때 적절한 설계를 위해 수치적으로 유동을 해석할 필요가 있다. 이에 대한 수치적 해석 값 을 얻기 위해 Edison CFD를 이용하여 여러 2차원 형상 Cylinder의 Reynolds number에 따른 Vortex shedding을 해석했다. Edison CFD를 통한 시뮬레이션 결과 값에 대한 검증을 얻기 위해 원형, 사각형의 Vortex shedding과 유동을 타 논문과 비교 검증했다. 형상마다 같은 조건의 Reynolds number라도 후류와 유동 등의 형상이 차이를 보인다. 상황마다 적절한 모형의 Cylinder를 Edison CFD를 통해 예측 할 수 있다.

EDISON_CFD를 이용한 NACA 4412 익형의 후류 형상 연구

항공기 설계에서 중요한 해석 대상중의 하나인 에어포일 NACA 4412 형상을 2차원 난류 점성유동으로 접근하여 일정 받음각에 따른 유동 현상을 실험 결과와 비교해 보았다. 또한, 역압력구배, 유동 박리, 와류 등의 현상이 어디에서 어떻게 생성되는지 해석을 통하여 분석해 보았다.

항력계수와 양력계수는 각각 항력, 양력을 동압과 에어포일의 코드 길이로 나눈 값으로 정의된다. 항공기의 비행에 있어서 항력과 양력은 매우 중요한 요소로 작용하며 항공기의 속도에 따라 항력과 양력은 크게 변하게 된다. 첫째로 학부과정에서 배운 마하수에 따른 항력계수의 변화, 그 중에서도 마하수 1 이상에서의 항력계수 감소에 관한 이론을 살펴보고 EDISON_CFD를 이용하여 마하수에 따른 항력계수의 값을 실제로 측정해보고 비교해보았다. 두 번째로는 EDISON_CFD로 측정한 마하수버에 따른 양력계수 값과 앞서 측정한 항력계수 값을 이용하여 NACA0012의 마하수에 따른 양력과 항력의비 (양항비)를 구하여 실제고도에서 비행 시 NACA0012의 적정 효율을 가지는 마하수를 알아보았다.

비정상 유동 해석을 수행하는데 있어서 비정상 Navier-Stokes 방정식을 적용한 결과와 정상 N-S 지배 방정식을 적용한 결과의 차이를 비교하려한다. 적용하고자 하는 비정상 유동은 대칭형 에어포일 NACA0012 에어포일 주위 유동으로 정하였으며, 이 때 에어포일 시위(chord) 길이와 자유류(free stream) 속도 기준으로 Re=100,000에 해당한다. 계산결과 비정상 지배 방정식을 적용한 경우 비정상 유동박리(flow separation)를 모사 할 수 있었으며, 평균 양력계수(CL)와 항력계수(CD)는 실험치[1]와 비교적 잘 일치하였다. 하지만 정상 N-S 방정식을 적용했을 경우 비정상 유동을 모사하기 어려웠으며 평균양력, 항력계수도 실험치와 차이를 보였다. 이러한 결과는 비정상 유동 해석시 시간에 따라 변화하는 유동의 특성을 고려해 비정상 N-S 지배 방정식을 적용해야한다는 사실을 보이고 있다.

20인승 급 소형 위그선의 운항조건을 고려하여 순항 시 WIG선의 양항비를 최대로 할 수 있는 에어포일 형상 설계 기초연구를 수행하였다. WIG선의 순항 받음각 하에서 NACA 4 digit 에어포일의 최대 캠버 위치, 최대 캠버, 두께를 변화 시켜가며 수치해석을 수행하였다. 그 결과 최대캠버 8 미만에서 두께가 두껍고 최대캠버가 클수록 양항비가 높게 나타나는 경향을 확인할 수 있었으며, NACA6412 에어포일이 전반적으로 가장 우수한 양항비를 나타내었다.

본 연구에서는 마하수 변화에 따른 층류유동 변화를 살펴보았다. 해석 프로그램은 EDISON_CFD를 이용하고, EDISON_CFD에서 사용한 수치기법과 Scheme에 대해서 언급한다. CFD기법을 이용하여 해석한 결과를 경계층조건의 이론 해석방법인 Blasius Boundary Layer와 비교하였다. 각 요소마다 해석한 결과를 통하여 층류 경계층의 특성을 살펴보았다. 그 결과 마하수 증가에 따른 평판의 온도 증가와 밀도 감소가 경계층을 선형적으로 증가시키는 것을 보았다. 또한 마하수 증가에 따른 점성계수의 증가를 살펴봄으로서 층류유동에서 마하수의 증가는 점성에 의한 운동량 확산을 증가시킨다는 것을 보았다.

선박의 저항을 추정하는 일은 선박설계에 있어 가장 기본적인 작업이다. 그러나 선박의 크기는 매우크기 때문에 일반적으로 모형선 실험을 통해 선박의 저항을 추정한다. 이 때, 모형선 실험은 Froude 수를 기준으로 수행하게 되는데 이 때문에 모형선과 실선의 Reynolds 수가 서로 다른 영역에 놓이게된다. 따라서 모형선 실험에서 얻어진 데이터를 실선에 그대로 적용할 수 없기 때문에 모형선-실선 저항추정법을 사용하게 된다. 본 연구에서는 이러한 모형선-실선 저항추정법에 사용되고 있는 2 차원외삽법을 살펴보고 이 기법에 사용되고 있는 ITTC 마찰저항곡선을 등가평판 주위의 유동장 해석결과와 비교하였으며 ITTC 마찰저항곡선에 대해 고찰하였다.

본 논문에서는 충남대학교에서 설계하고 있는 인력비행기인 Volante의 주익 에어포일을 선정하기 위하여 교육 및 연구를 위한 CFD 해석 프로그램인 EDISON_CFD를 이용하여 후보군으로 있는 에어포일들의 경향성을 확인하고 성능이 좋은 에어포일을 선정하였다. 또한 CFD 프로그램으로 상용화된 Fluent와 비교하여 EDISON_CFD의 신뢰성을 확인하였다.

임계마하수란 에어포일의 표면에서 음속에 도달하는 부분이 생기기 시작하는 가장 낮은 Mach number라 한다. 임계마하수는 천음속에서 자유류가 임계마하수보다 조금 커지면 항력이 급격하게 증가하게 된다. 그렇기 때문에 임계마하수가 큰 에어포일이 천음속 항공기 설계에 있어서 매우 중요한 역할을 하게 된다. 이번 연구는 학부과정에서 배운 임계마하수에 대해 정의하고, EDISON_CFD를 이용하여 에어포일에 따라서 임계마하수가 달라지는 것을 확인해 보았다. 그 결과 에어포일이 두꺼워질수록 낮은 마하수에서 Shock이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 마지막으로 EDISON_CFD를 이용하여 계산된 임계마하수 값과 이론값을 비교한 결과, 높은 정확도를 확인할 수 있었다.

초음속 항공기를 설계하는데 있어서 일반적인 항공기와는 다른 성능이 요구되는데 그것은 바로 초음속에 의한 충격파가 발생시키는 추가적인 항력을 감소시키는 일이다. 날개의 Airfoil 형상을 결정하기 위해서는 공력 특성을 파악해야 하는데, 이를 알아보는 데 있어서 EDISON_CFD를 사용하였다. 충격파의 생성을 지연시키는 Supercritical Airfoil의 여러 형상에 필요한 격자를 생성하여 비점성, 압축성 유동 해석을 수행하였다. 비교에 필요한 다섯 개의 NASA Supercritical Airfoil을 선정하여, 아음속과 초음속으로 나누어 받음각에 따른 양력계수와 항력계수를 도출하고, 이를 토대로 양항비를 추정해 보았다. 추려진 것 중 가장 우수한 공력성능을 보이는 airfoil을 선정하였는데 그 결과 NASA SC-0403 airfoil의 공력 성능이 가장 뛰어나 그것을 선정하기로 하였고, 또한 2차원 공력 해석에서 얻은 양력계수를 면적에 대하여 적분하여 날개에서의 양력과 항력을 추정하였다.

루프 페어링은 화물차의 주행저항 및 유도항력을 줄이기 위해 설치되는 장치 중 하나이다. 이 장치는 화물차의 지붕 윗부분에 설치하여 화물차가 받는 항력을 줄이는데 사용이 된다. 이번 과제에서는 루프페어링의 효과에 대해 유체역학적인 증명 및 확인을 위해 루프 페어링의 설치 전-후 트럭의 형상에 따른 유동의 변화와 항력계수의 값을 EDISON CFD를 사용하여 구한 후 각각 비교 하였다. 이를 위해 EDISON CFD의 압력 contour와 stream line, 정압계수(Cp)그래프를 통해 트럭의 주행 중 발생하는 박리현상을 가시적으로 확인하였고, 항력계수(Cd)값을 비교하는 것을 통해 루프 페어링을 설치한 경우가 미설치된 경우보다 주행 시 더욱 유리하다는 것으로 결론을 내렸다.

초음속 흡입구는 설계점에서 안정적으로 작동하지만 설계점 밖에서는 엔진성능이 급격히 감소하거나 층격파 불안정 문제가 발생할 수 있다. 초음속 흡입구의 일반적인 특성을 파악하기 위해 2단 꺾임각을 갖는 외부 압축식 2차원 흡입구를 설계하고 EDISON_열유체 시스템을 이용하여 최종적으로 설계 마하수 2.5에서 작동하는 형상을 얻었다. 그러나 설계 마하수 이하의 영역에서는 충격파-경계층, 충격파간 상호작용으로 인해 유동에서 박리가 발생하고 최종적으로 흡입구 목을 질식시켜 아임계 상태로 천이된다. 이를 해결하기 위해 유동 제어 방법 중 하나인 bleeding을 이용하여 경계층을 제거하거나 유동의 박리를방지하여 충격파를 cowl lip 전방에 안정하게 고정시킬 수 있었으며, 결과적으로 목적하였던 마하수 2.0에서 2.5에 이르는 작동 영역에서 강건하게 운용될 수 있는 초음속 흡입구를 설계하였다.

변장비의 변화에 따른 타원형 실린더 주위의 유동장을 해석하기 위하여 Navier-Stokes 방정식을 사용한 EDISON 열유체 툴로 분석하였다. 본 논문은 기존의 연구와 비교·분석하는데 목적을 두었으며, 기존의 연구결과와 비교·분석하기 위하여 계산 영역을 동일하게 설정하였다. 타원형 실린더의 변장비를 0.5, 1, 2, 4로 변화시키고 레이놀즈수 200, 400, 1000인 조건하에 유동장을 해석하였다. 본 연구의 해석 결과를 통해 선행연구와 전체적인 경향이 같다는 것을 알 수 있었고, 또한 변장비와 레이놀즈수는 항력진폭과 양력진폭, 스트로할 수에 영향을 미침을 알 수 있었다.

본 연구에서는 정사각형으로 모델링된 실린더 주위에 균일한 유동이 흐를 때 나타나는 이차원 난류 유동을 분석하였다. EDISON-CFD를 이용하여 정사각 실린더 표면에서의 전단응력 분포 및 유동 현상을 시뮬레이션 하였다. 선행 연구 결과의 CD, CL’값과 비교하여 결과의 유효성을 검증하였다. 또한, 비정상 층류 유동(Re=100)과 비교하여 난류 유동(Re=22,000)의 특성을 분석하였고, 와 흐름에 의하여 정사각 실린더 표면이 받는 전단응력을 자세히 분석하였다.

본 연구에서는 XFOIL을 사용하여 설계된 30% 두께를 가지며 팁에서의 두께가 코드의 1.5%인 풍력터빈용 에어포일의 공력 특성을 해석하였다. 받음각에 따른 양력⦁항력 곡선 및 양항비를 XFOIL에서 얻어낸 결과와 EDISON_CFD 해석 결과를 상호 비교 하였다. EDISON_CFD에서의 해석을 위한 격자의 형태를 격자균일성을 생각하여 큰 타원과 작은 타원을 합쳐 만들었다. 수치 기법으로 Roe의 FDS를 선택하여 데이터를 수집하였다. 그 결과로 나타낸 압력계수와 양항비 그래프를 보면 선형 구간에서 양력은 XFOIL 해석 결과와 잘 일치하는 결과를 보여주었다. 그러나 항력에서 약1.5배 정도 EDISON_CFD의 결과가 크게 나옴으로써 양항비의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 실속이후에서는 XFOIL의 신뢰도가 떨어지는 경향이 있어 특히 실속이후에서는 CFD의 해석결과가 필요한 것으로 보인다.

원형 실린더 주위의 비정상 유동은 공학적으로 매우 중요한 유동 현상으로서 2차원 원형 실린더 주위의 비정상 유동 현상인 와류 흘림에 관해 수치적으로 계산해 보고 실제 유동 현상과 비교해 본다. 또한 실린더 주위 유동의 와류 흘림 현상이 공학적인 측면에서 어떠한 중요한 역할을 하는지 고찰해 본다.

본 연구에서는 현재 국내외에서 연구 중인 Blended Wing Body(BWB) 항공기의 엔진흡기 유동을 해석하기 위해 익형과 비행조건을 변화시켜 가며 전산유체해석을 수행하였다. 엔진의 위치에 따라 엔진이 효율적으로 동작하기 위한 조건인 흡기에서의 유동 속도와 그 분산을 중심으로 해석한 결과 익형 표면에서는 경계층의 영향으로 엔진흡기에서 유동속도가 낮고, 속도분산이 높음을 확인할 수 있었다. 한편, 익형 아랫면에서는 높은 비행속도에서 속도분산이 급격히 증가하였다. 이를 통해, 해석에 사용한 익형이 BWB의 동체로 활용하기에 적합한 엔진흡기조건을 갖는지 판별하였다.

항공기에 작용하는 공기역학적 힘인 양력과 항력은 항공기 날개 설계에서 성능을 좌우하는 성능지수로 주로 이용된다. 본 연구에서는 NACA0012 airfoil 모델의 공력특성을 EDISON 열유체 시뮬레이션 프로그램(이하 EDISON)을 이용해 분석하고 검증해 보았다. 아음속 유동의 특정 조건에서 받음각과 유동형태에 따른 공력특성 분석을 수행하여 받음각에 따라 변하는 양력계수, 항력계수, 양항비, 실속각과 천음속 유동 조건에 맞추어진 마하수 0.5~1.22 영역에서 변하는 항력계수를 기존 데이터와 비교 검증했다.

21세기인 지금 우리시대에 자동차는 필수적인 교통수단이다. 이런 자동차의 구동을 위해서는 연료가 필요하며, 아직까지 석유가 그 연료의 중심이다. 그러나 지구에서 나오는 석유자원은 매장량의 한계가 보이며, 치솟는 가격뿐만 아니라 세계적으로 고연비 고효율 차량을 선호하기 때문에 연료소비를 최소화하는 방법을 찾아야 한다. 본 연구에서는 차량의 후면 형상에 중점을 두어 주행 시 발생하는 공력특성 중 항력을 감소시키기 위해 EDISON 시뮬레이션 프로그램으로 자동차의 후면 형상 변화에 따른 공력특성 해석과 주행 시 가장 효율적인 최적의 후면 형상을 찾아보았다.