형상 최적 설계를 통한 공력 성능 향상

일반적으로, 공기역학 분야는 해석분야와 설계 분야로 구분된다. 그 중, 공력 설계 분야에서는 원하는 유동장을 만족시킬 수 있도록 또는 원하는 공력 계수를 가지도록 물체의 형상을 설계 및 최적화하는 연구를 수행하고 있다. 80년대 이전에는 주로 실험자료 및 설계자의 직관에 의존하는 설계가 주를 이루었다. 하지만 전산 처리능력의 향상과 더불어 전산 해석 기법 및 전산 최적화 기법이 고도화되면서, 이를 이용한 전산 최적 설계 방법이 널리 사용되고 있다.

공력 최적 설계에 있어서 설계 기법은 접근 방법에 따라 역 설계 기법(Inverse design method)와 직접 설계 기법(Direct design method)로 나눌 수 있다. 역 설계 방법은 고려된 유동 조건에서 목표로 하는 압력 분포를 예측하여, 최적 성능을 이끌어내는 형상을 결정하는 방법이다. 반면, 직접 설계 방법은 제약조건을 만족시키면서 주어진 성능(목적함수)에 대해 최대값(또는 최소값)을 가지는 최적 형상을 찾아내는 방법이다.

본 연구실에서는 효율적이고 정확한 전산 공기 역학적 해석 기법과 수치 최적화 기법을 바탕으로 공력 최적 설계를 수행 중이다. 특히, 직접 설계 방법을 통해 익형(Airfoil), 항공기 날개(wing), 동체-날개(wing-body) 형태의 항공기 형상과 항공기 내부의 덕트(S-duct) 형상에 대한최적 설계를 수행하고 있다. 또한, 항공기 성능을 향상시킬 수 있는 유동 제어 장치의 최적 설계를 동반하고 있다.

Ⅰ. 다중 익형(Multi-element airfoil) 설계

대부분의 항공기는 이륙, 순항, 착륙 등 여러 가지 다른 조건에서 운용되며, 이 조건에 따라 서로 다른 공력 성능이 요구된다. 이러한 요구를 만족시키기 위하여 기존 익형에 플랩(flap), 슬랫(slat)등의 고 양력 장치를 부착하여 이착륙시 많은 양력을 얻을 수 있도록 하는 다중 날개가 도입되었고, 현재 대다수의 항공기에 다양한 형태로 사용되고 있다. 본 연구실에서는 다중 익형의 형상 설계를 통하여 주어진 조건에서 최대의 양력을 가지는 다중 익형을 도출하였다.

Fig. 1. 다중 익형 설계

Ⅱ. 천음속 동체-날개(wing-body) 형태의 항공기 날개 형상 설계

대다수의 여객기의 순항속도는 Mach 0.8~0.9의 천음속 유동 조건이며, 이 범위의 유동은 날개를 따라 흐르면서 초음속으로 가속된다. 이에 따라 날개 윗면에, 항공기의 항력을 증가시키는 주요 원인 중 하나인 충격파가 발생한다. 본 연구실에서는 날개 윗면에 생성되는 충격파의 강도를 최소화하여, 작은 항력 계수를 가지는 날개를 설계하였다. 더 나아가, 동체와 날개 사이의 유동 간섭에 의한 영향을 고려할 수 있도록 동체-날개(wing-body) 형태의 항공기 날개 형상에 대한 설계를 수행하고 있다.

Fig. 2. 천음속 항공기 날개 형상 설계

Ⅲ. S자 모양의 덕트(S-duct) 형상 및 유동 제어 장치 형상 설계

기체 내부에 엔진이 존재하는 항공기의 경우, 엔진의 구동에 필요한 양질의 공기를 제공하기 위한 덕트가 필수적 요소이다. 하지만, 항공기 내부 구조의 제약에 따라 덕트는 복잡한 형상을 가지게 되며, 이러한 경우 유동의 뒤틀림(distortion)이 발생하여 엔진에 양질의 공기를 제공하지 못하는 문제가 발생한다. 본 연구실에서는 전압력 손실을 최소화함과 동시에 균일한 유동(uniform flow)을 엔진에 제공하여 엔진 성능을 최대화 시키기 위한 덕트 형상을 설계하였다. 또한, 항공기 내부 형상의 제약에 따라 덕트 형상의 변화가 어려운 경우에 극복하기 위해, 덕트 내부에 설치된 유동 제어 장치의 형상을 설계하는 연구를 수행한 바 있다.

Fig. 3. 덕트 형상 설계 및 유동 제어 장치 설계