와류 발생기를 이용한 유동제어 및 최적설계

와류 발생기(Vortex Generator; VG)는 수동 유동 제어 장치 중 하나로, 공력 성능을 저하시키는 유동 박리를 효과적으로 제거한다. 유동 박리는 경계층 내부의 유동 운동량이 역압력구배로 속도가 점점 줄어들다가 마침내 유동 속도가 역전되었을 때 발생한다. 유동 박리를 제거하기 위해서는 역압력구배를 완화시키거나, 경계층 내부의 유동 운동량을 증가시켜야 한다. 와류 발생기는 후자의 원리를 이용한 것으로, 이름 그대로 와류를 발생시켜 경계층 외부로부터 내부로 운동량을 공급하고 경계층 내부의 유동 에너지를 증가시켜 유동 박리를 지연 및 제거한다.

본 연구실에서는 단순히 와류 발생기를 설치하여 유동을 제어하고 공력 성능을 높이는 것뿐만 아니라, 전산 유체 역학에 기반한 수치 최적화 기법과 결합하여 와류 발생기의 성능을 최대화할 수 있는 최적 설계를 수행하고 있다.

I. S자 덕트(S-Duct) 대상 와류 발생기의 최적 설계

전투기와 같이 항공기 내부에 엔진이 존재하는 경우, 엔진의 구동에 필요한 양질의 공기를 제공하기 위한 덕트가 필수적이다. 그러나 항공기 내부 구조의 제약에 따라 덕트는 복잡한 형상을 가지게 되며, 이러한 경우 유동의 튀틀림(distortion)이 발생하여 엔진에 양질의 공기를 제공하지 못하는 문제가 발생한다. 일반적으로는 덕트 형상을 변화시켜 문제를 해결하지만, 항공기 내부 형상의 제약에 따라 덕트 형상의 변화가 어려운 경우도 있다. 본 연구실에서는 이러한 경우를 극복하기 위해, 덕트 내부에 와류 발생기를 설치하고, 전압력 손실을 최소화함과 동시에 균일한 유동(uniform flow)을 엔진에 제공하여 엔진 성능을 최대화시키기 위한 와류 발생기의 형상을 최적 설계하는 연구를 수행하였다.

Fig. 1. 와류 발생기의 최적설계를 통한 아음속 S자 덕트 내부의 유동 특성 변화

II. 람다익 UCAV 대상 Pitch-up 완화를 위한 와류 발생기의 최적 설계

많은 UCAV가 저피탐성과 고기동성을 위해 꼬기 날개가 없는 동체-날개 혼합형(Blended Wing Body; BWB)를 기반으로 한 람다익(Lambda Wing)을 지닌다. 람다익 형상의 비행체는 특정 받음각 영역에서 피칭모멘트가 급격히 변하는 비선형성을 보이는데, 이를 pitch-up 현상이라 한다. 이러한 pitch-up은 날개 바깥쪽에서 발생하는 유동 박리로 인해 나타나는데, 이를 효과적으로 제어하는데 와류 발생기를 사용할 수 있다. 본 연구실에서는 람다익 항공기의 앞전 부근에 와류 발생기를 설치하여 pitch-up를 완화하고, 이를 최대화하기 위해 와류 발생기의 형상을 최적 설계하는 연구를 수행하고 있다.

Fig. 2. 와류 발생기의 최적 설계를 통한 람다익 윗면의 유동 특성 변화