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2.3 프로펠러 모델들과 회전 체적 격자 영역

capabilities • 2024.08.30 • 조낙원

2.3.1 Overview

Flow360는 프로펠러 효과를 고려할 수 있는 유동 해석을 위한 몇가지 모델(혹은 방법)들을 제공합니다.

Flow360 Propeller Model Comparison

이 모델들은 아래와 같이 항공기 동체(또는 날개)와 추진 시스템(프로펠러)을 동시에 시뮬레이션 하는데 활용할 수 있습니다.

일반적으로 로터-기체간의 간섭작용 (propulsion airframe interaction)을 시뮬레이션 하는데에는 많은 연산량을 필요로 합니다. Flow360이 제공하는 모델은 연산시간을 효과적으로 감소시킬 수 있습니다.

Simulation of Airfram Propeller Interaction using Flow360 prop model

2.3.2 Actuator Disk(AD)

Actuator Disk는 프로펠러 효과를 고려하기 위해 운동량식을 지배방정식에 추가하는 가장 간단한 모델링 기법입니다. 프로펠러 성능이 알려져 있고, 프로펠러에 의한 Downwash가 미치는 영향에 초점을 둘 때 유용합니다. 이 모델은 로터가 위치하는 원형 영역이 프로펠러에 의해 균일한 압력 변화를 가진다고 가정합니다.

Actuator Disk를 사용하기 위해서는 로터 회전 반경으로의 추력 및 토크 정보가 필요합니다. 입력 데이터의 형식에 대해서는 Solver Configuration 부분의 actuatorDisks 설명을 참조하세요.

Actuator Disk는 프로펠러의 효과를 고려할 수 있는 간단한 방법입지만, 다음과 같은 단점이 있습니다.

  • 원형으로 균일한 추력 및 토크 분포를 가정하기 때문에 프로펠러에 접근하는 유동장의 비대칭성을 고려할 수 없습니다. (예: 받음각, Yaw 각도, 유입 흐름을 변형 등)

  • 해석 매개변수를 변경할 때마다 추력 및 토크 값을 업데이트해야 합니다.

2.3.3 Blade Element Theory Disk (BET Disk)

BET Disk는 가장 흔히 사용되는 프로펠러 모델 중 하나입니다. 실제 프로펠러 형상이 필요하지 않으면서 거의 모든 물리적 현상을 고려한 시뮬레이션이 가능합니다. BET Disk를 사용하기 위해서는 2D 공력 데이터가 필요합니다.

Flow360의 2D 공력 데이터 입력 형식에 대해서는 Solver Configuration의 BET Disk 항목을 참조하세오.

주어진 2D 공력 데이터를 기반으로 BET Disk 모델은 프로펠러가 유동장에 미치는 영향을 계산하기위해 보정항(Correct Forcing Term)을 추가합니다.

BET Disk는 프로펠러 설계부터 전 기체의 추진 통합 과정까지 설계의 모든 단계에서 유용하게 활용될 수 있습니다. 프로펠러 형상의 CAD 모델이 없거나 계산 비용 절약이 필요한 경우에는 최적의 솔루션으로 활용될 수 있습니다.

2.3.4 Blade Element Theory Line (BET Line)

BET Line은 BET Disk와 유사한 방법이지만, 시간 평균화 방식이 아닌 분해(Resolved) 방식이라는 차이가 있는 방법입니다. 따라서 회전하는 날개에서 발생하는 천이 현상, 와류-블레이드 사이의 상호작용 효과를 포착하는데에 유리하다는 장점이 있습니다.

또한 BET Line 방법은 실제 프로펠러 형상을 고려하여 만든 격자를 사용한 해석보다 더 적은 계산 자원으로 합리적인 계산 결과를 얻을 수 있습니다.

Video Label

2.3.5 Rotational Volume Zone

Rotational Volume Zone은 회전 운동을 하는 영역을 의미합니다. 사용자는 여러 개의 격자 영역으로 구성된 격자에서 특정 영역을 Rotational Volume Zone으로 지정하고, 회전 운동을 설정할 수 있습니다.

또한 Flow360에서는 Nested Rotational Volume Zones 기능을 지원하고 있습니다. 이 기능은 회전하는 영역 안에 또다른 회전 영역을 설정하고, 회전 영역의 운동을 사용자가 설정할 수 있는 기능입니다.

프로펠러 해석의 경우, Rotational Volume Zone을 설정하여 해석을 수행한 결과과 모든 모델들 중에서 가장 정확합니다. 그러나 프로펠러 형상에 대한 정확한 격자가 필요하므로 격자 생성 및 해석 설정에 상당한 시간이 소모됩니다.

또한, 프로펠러에 의한 유동장 변화를 정확하게 포착하기 위해서는 상대적으로 작은 시간 단계(Time Step)의 설정이 필요하며, 프로펠러 주변의 유동장 발달 및 정확한 결과 획득에 상당한 시간이 걸립니다.

해당 기능을 이용한 예제는 XV-15 튜토리얼와 관련 문서을 참조하세요.

[!NOTE]

Rotational Volume Zone을 이용한 해석 방법은 프로펠러뿐만 아니라 다양한 대상에 대해서 유동 해석을 수행 할 수 있습니다. 비행기 회전, 실시간 비행체 제어 등이 이 접근 방식으로 수행할 수 있는 예시입니다.

[!TIP]

Rotational Volume Zone을 지정하기 위해 slidingInterfaces 대신 volumeZones->referenceFrame을 사용하는 것이 권장됩니다.

각 프로펠러 모델의 장단점을 더 자세히 비교하려면 모델링 접근 방식의 영향에 관한 문서를 참조하세요.

Fig. 2.3.1 Four different techniques for modeling the same propeller. In this case the AD and BET disk look similar because the flow is circumferentially uniform.

2.3.6 Multiple Reference Frame (MRF)

Multiple Reference Frame(MRF) 방법은 회전하는 기계에 대한 유동 해석에 사용될 수 있는 방법들 중 하나입니다.

Rotational Volume Zone을 이용한 방법과 달리 MRF 방법은 격자가 로터와 함께 회전하는 것이 아니라 모두 공간에서 정지 상태를 유지하며, 회전의 영향을 고려하기 위해 지배방정식(나비어-스톡스 방정식)에 이원 부피 영역 내의 원심력 및 코리올리스항을 추가합니다. 따라서 Rotational Volume Zone을 이용한 방법보다 상당한 계산상의 이점을 제공합니다.

이 방법은 로터, 터보 기계, 풍력 터빈과 같은 회전 부품의 정상 상태 시뮬레이션에 사용될 수 있습니다.

2.3.7 Single Reference Frame (SRF)

Multiple Reference Frame(MRF) 방법과는 달리 Single Reference Frame(SRF) 방법은 해석에 사용되는 격자의 전체 영역의 축을 중심으로 회전하는 영향을 고려합니다.

이 방법은 MRF 방법보다는 해석 대상이 기동하는 경우 (비행기의 경우, 피치/롤/요 등의 기동)에 사용하는 것을 권장합니다.

SRF 방법에서 "NoSlipWall" 및 "Freestream" 경계 조건 아래의 "velocityType" 매개변수는 두 가지 옵션을 제공합니다.

  • "relative" (상대 속도를 0으로 강제함)

  • "absolute" (절대 속도를 0으로 강제함).

NoSlipWall의 경우 회전하는 표면(예: 로터 블레이드)에는 "relative" 옵션이 사용되고, 고정된 표면(예: 풍동의 벽)에는 "absolute" 옵션이 사용됩니다.