NASA Common Research Model(CRM)에 풀 플랩 갭(full flap gap)을 적용한 고양력(high-lift) 형상, HL-CRM에 대해 Flow360의 예측 성능을 검증한 사례입니다. 이 형상은 이착륙처럼 유동이 쉽게 박리되고 수렴이 까다로운 조건을 다루기 위해 3rd AIAA CFD High Lift Prediction Workshop(HiLiftPW-3)에서 채택한 공식 벤치마크 형상입니다.

원문(영문) 전체 리포트: FlexCompute Flow360 Documentation — High Lift Common Research Model (HL-CRM)

개요

고양력 형상은 이착륙 단계의 복잡한 유동 특성 때문에 순항 형상보다 예측이 훨씬 어렵습니다. 슬랫·플랩 주변의 국부 박리, 갭을 통한 유동 간섭, 강한 압력 구배 등이 겹치며 수렴 자체도 쉽지 않습니다. HiLiftPW-3는 이러한 난제에 대해 여러 솔버·난류모델·격자 전략의 예측 결과를 한자리에서 비교하기 위해 마련된 워크숍으로, 참가자 전원이 워크숍 위원회가 배포한 동일한 격자를 사용해 결과를 제출하는 방식으로 진행됩니다.

본 검증에서는 워크숍 위원회가 제공한 격자를 그대로 Flow360에 업로드하고, Python API를 이용해 해석을 실행한 뒤 후처리까지 수행하는 전체 과정을 다룹니다. 산출된 CL, CD 값과 격자 수렴 경향은 HiLiftPW-3에 제출된 다른 솔버들의 결과와 나란히 비교됩니다.

형상 정의

해석 대상은 HL-CRM(풀 플랩 갭 형상)이며, 받음각(α) 8°와 16°, 자유류 마하수 $M_{\infty} = 0.2$ 조건에서 유동을 계산합니다. 형상은 좌우 대칭이므로 통상적인 관례에 따라 절반(semi-span) 모델만 해석합니다. 형상 데이터는 워크숍 홈페이지에서 받을 수 있으며, 아래 그림에 전체 형상이 나타나 있습니다.

HL-CRM 형상

HL-CRM 형상의 주요 제원은 다음과 같습니다.

격자

이 검증에 사용된 격자는 워크숍 위원회가 여러 참가 솔버 간 공정한 비교를 위해 공통으로 배포한 것입니다. Flow360은 AFLR3, CGNS 포맷(및 그 gz/bz2 압축 파일)의 격자를 그대로 지원하므로, 본 검증에서는 AFLR3 계열인 ugrid 포맷의 격자를 사용했습니다. 중간 해상도 (medium) 격자는 육면체·사면체·프리즘·피라미드가 혼합된 약 2,700만 노드 규모이며, 점착 벽(no-slip wall) 경계조건은 워크숍이 함께 제공하는 .mapbc 파일로 지정합니다.

HL-CRM 중간 해상도 격자 — outboard flap(좌하단)과 slat(우하단) 상세

워크숍은 medium 외에도 coarse, fine, extra fine 등 여러 해상도의 격자를 함께 배포하며, 이들 격자 세트는 뒤에서 다룰 격자 수렴성 분석에 그대로 활용됩니다.

해석 설정 및 실행

해석은 Flow360의 Python API를 통해 진행됩니다. 전체 흐름은 크게 세 단계로 나뉩니다.

1) 격자 업로드. 다운로드한 ugrid 격자를 클라우드에 올리기 전에 no-slip 벽면 경계를 지정해야 합니다. 이는 .mapbc 파일을 파싱해 경계 리스트를 만들거나(noSlipWallsFromMapbc), 아니면 아래와 같은 형태의 Flow360Mesh.json 설정 파일로 boundary ID를 직접 지정하는 두 가지 방식 중 하나를 선택할 수 있습니다.

{
    "boundaries": {
        "noSlipWalls": [2, 3, 5, 7, 9]
    }
}

이렇게 경계 정보를 준비한 뒤 flow360client.NewMesh(...)를 호출하면 격자가 클라우드에 업로드되고 이후 단계에서 참조할 meshId가 반환됩니다.

2) 케이스 실행. 해석 조건은 JSON 설정 파일(Flow360.json)로 정의하며, 기존 FUN3D namelist(fun3d.nml)와 .mapbc 파일이 있다면 변환 스크립트로 자동 생성할 수도 있습니다. 받음각 8°/16° 등 조건별로 이 설정 파일의 유동·솔버 파라미터를 바꿔가며 flow360client.NewCase(meshId=..., config=..., ...)로 케이스를 제출합니다.

3) 결과 다운로드. 솔버 로그, 표면/체적 솔루션, 잔차 이력, 힘 계수(전체 및 경계별 표면력)를 각각 전용 API 호출(DownloadSolverOut, DownloadSurfaceResults, DownloadVolumetricResults, GetCaseResidual, GetCaseTotalForces, GetCaseSurfaceForcesByNames)로 받아 후처리 단계(ParaView/Tecplot)로 넘깁니다.

격자 수렴성

이 검증에서는 8°와 16° 받음각에 대해 coarse부터 extra fine까지 네 가지 해상도의 격자로 $C_L$ , $C_D$ 를 계산하고, 이를 HiLiftPW-3에 제출된 다른 솔버들의 결과와 함께 절점 수 N에 대해 비교했습니다. 각 격자의 노드·셀 수는 다음과 같습니다.

Flow360과 3rd AIAA CFD High Lift Prediction Workshop(2017) 참가 솔버들의 격자 수렴성 비교. 가로축은 격자 절점 수 N이며, 예상 수치오차 스케일인 $N^{-2/3}$ 기준선이 함께 표시되어 있습니다. 세로축은 8°(위)와 16°(아래) 받음각에서의 양력(왼쪽)·항력(오른쪽) 계수입니다.

가장 눈에 띄는 결과는 coarse 격자만으로도 fine 격자 수준에 근접한 $C_L$, $C_D$ 를 얻는다는 점입니다. Flow360은 격자를 조밀화할수록 결과가 다른 참가 솔버들의 fine-grid 추세선에 빠르게 수렴하며, 전반적으로 워크숍 참가 솔버 대비 우수한 격자 효율성을 보였습니다.

결과

받음각 8°와 16° 두 조건에 대해 표면 마찰계수( $C_f$ )와 압력계수( $C_p$ ) 분포, 그리고 coarse 격자에서의 Q-criterion 와류 구조를 확인했습니다.

표면 마찰계수( $C_f$ ) 분포 — α=8°(위), α=16°(아래)

받음각이 8°에서 16°로 증가하면 슬랫 후류와 플랩 상면을 중심으로 $C_f$ 가 낮아지는(때로는 음의 값을 갖는) 영역이 넓어지며, 이는 국부적인 유동 박리가 진행되고 있음을 보여줍니다.

날개 상·하면 압력계수( $C_p$ ) 분포 — α=8°(위), α=16°(아래)

받음각이 커질수록 슬랫과 플랩 앞전 부근의 흡입 피크(suction peak)가 뚜렷해지고, 각 요소(슬랫/주익/플랩) 사이의 상호간섭이 압력분포에 더 강하게 나타납니다.

coarse 격자(8.3M 노드), α=16°에서의 마하수 기준 Q-criterion 와류 구조

Q-criterion 등가면은 슬랫과 플랩 갭에서 발생하는 흐름방향(streamwise) 와류, 그리고 날개 끝단(wing tip) 와류가 하류로 전개되는 모습을 잘 포착하고 있으며, coarse 격자만으로도 이러한 복잡한 와류 구조가 물리적으로 타당하게 재현됨을 확인할 수 있습니다.

결론

이번 검증은 Flow360 Python API를 이용해 HiLiftPW-3의 HL-CRM 고양력 형상에 대한 외부 공력 해석을 준비·실행·후처리하는 전체 과정을 정리하였습니다. Flow360으로 얻은 $C_L$, $C_D$ 값은 8°/16° 받음각 모두에서 워크숍에 제출된 다른 솔버들의 결과와 잘 일치했으며, 특히 격자 수렴성 비교에서 coarse 격자만으로도 fine 격자 수준의 정확도에 근접하는 결과를 얻어 격자 대비 계산 효율성 측면에서도 우수한 성능을 확인했습니다.