경비행기 프로펠러의 공기 유동해석에 관한 융합 연구
최계광1, 조재웅2*
1공주대학교 금형설계공학과 교수, 2공주대학교 기계자동차공학부 교수
A Convergent Investigation on the Air Flow Analysis of a Light Aircraft Propeller
Kye-Kwang Choi1, Jae-Ung Cho2*
1Professor, Department of Metal Mold Design Engineering, Kongju National University
2Professor, Division of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju National University
요 약 본 연구에서는 경비행기를 날게 하는 프로펠러인 3개 및 5개 또는 10개가 있는 날개의 모델들로서 공기 유동 해석을 하였다. Model A에 대해서는 5개의 날개들이 있는 유동 형상으로서 Model A가 가장 이상적인 공기의 흐름을 보이고 있다. 너무 많거나 적지도 않은 날개 수로 공기의 흐름이 가장 원활히 흐르는 형상을 나타내고 있다. 프로펠러 날개의 수가 적으면 적을수록 공기의 유동이 작아지는 것을 볼 수 있다. Model A는 공기 유동의 전면부에서 최대 0.5631 MPa의 압력을 받고 있다. 또한 Model B와 Model C는 0.5758 MPa 및 0.5589 MPa의 압력을 각각 받고 있다. 각 유동 모델들에 대한 압력 등고선들을 비교해 보면, Model B가 그 압력 분포가 제일 높은 것으로 볼 수 있다.
본 연구 결과를 활용하면 실제 시험을 하지 않고서도 공기 유동을 조사할 수 있다. 또한 경비행기 프로펠러의 미적인 융합 설계에 도움이 될 수 있다고 보인다.
주제어 : 경비행기, 프로펠러, 날개, 공기유동, 압력, 융합
Abstract In this study, the models with three, five and ten wings of the propeller which made a light aircraft fly were performed by air flow analyses. As for the flow model A with the shape with five wings, Model A can be seen to be the most ideal flow of air. The flow of air through the number of wings, which is not too many or too few, shows the most smooth flowing form. The smaller the number of propeller blades, the smaller the flow of air. Model A is applied under pressure of up to 0.5631 MPa at the front of air flow. Also, models B and C are applied under pressures of 0.5758 MPa and 0.5589 MPa, respectively. Comparing the pressure contours for each model of flux, model B can be shown to have the highest pressure distribution. The result of this study can be used to investigate the air flow without actual testing. It also seems to be helpful in the aesthetic convergent design of light aircraft propeller.
Key Words : Light aircraft, Propeller, Wing, Air flow, Pressure, Convergence
*Corresponding Author : Jae-Ung Cho([email protected]) Received August 18, 2020
Accepted December 20, 2020 Revised September 11, 2020
Published December 28, 2020
1. 서론
최근 21세기에는 경비행기의 빈도는 많이 줄어들었고
공항에서 보이는 비행기들이 많이 실용화되어 가고 있다.
하지만 아직도 많은 사람들은 경비행기 조종사가 되려고 조종사 자격증 취득도 많이 하고 있고 항공업체에서 경
있다[1-6]. 경비행기의 추진하는 방식이나 형상들이 많 이 발전되고 있는데, 그 중 프로펠러는 경비행기의 비행 에 많은 영향을 끼친다. 본 연구에서는 프로펠러의 날개 와 형상에 따라 그 주위에 공기유동이 어떤 식으로 되는 지에 대한 모델을 설계 및 해석을 하였다[1-5]. 본 연구 에서는 경비행기의 추진체인 프로펠러는 3개 및 5개 또 는 10개가 있는 날개로서 CATIA로 모델링하였다[6-8].
그리고 이 3가지의 날개의 모델을 기초로 ANSYS CFX 로 날개 수에 따라서의 공기 유동 해석을 하였다[9-12].
본 연구에서의 해석 결과를 활용하면 실제로 경비행기 프로펠러의 공기 유동에 대한 시험을 하지 않고서도 공 기 유동을 조사할 수 있다고 사료된다. 그리고 본 연구 결과는 경비행기 프로펠러의 미적인 융합 설계에 도움이 될 수 있다고 보인다[13-15].
2. 유동 모델링 및 경계 조건들
(a) Model A
(b) Model B
(c) Model C
Fig. 1. Configurations of propeller wing models Fig. 1은 프로펠러 날개 모델들의 형상들이다. 공기유 동의 흐름이 원활히 흐르는 형상을 하기위하여 날개 모 델의 5배 정도 되는 크기의 사각형의 유동 모델을 만들 었다. Model 1, 2, 3들의 유동장에 대한 가로 세로 및 높이는 약 0.9m, 1.2m이다. 그리고 Table 1은 프로펠러 로 날개로 인한 공기의 유동 해석을 위한 Model 1, 2 및 3들에 대한 메시들의 절점들 및 요소수들의 개수를 나타낸다. Fig. 2는 대표적으로 유동 Model A에서의 경 계 조건들을 보이고 있다. 공기가 들어가는 곳을 입구로 하였고, 공기가 나가는 곳을 출구로 지정하였다. 오른쪽 으로 들어 가는 공기는 1.185kg/㎥인 밀도와 25℃의 온 도로서 5%의 와류공기로 300km/h의 속도로 설정하였 다. 그리고 사각부스 왼쪽 측면의 출구는 0.5 atm의 압 력으로 설정하였다.
Table 1. Mesh informations of models
Nodes Elements
Model A 29710 165934
Model B 46007 263565
Model C 21623 122215
(a) Model A
(b) Model B
(c) Model C
Fig. 2. Boundary condition of propeller wing models
3. 유동 해석결과
Fig. 3은 3개의 각 유동 모델들에 대한 공기들의 흐름 을 나타내고 있다.
(a) Model A
(b) Model B
(c) Model C
Fig. 3. Velocities of stream lines on flow models Model A에 대해서는 5개의 날개와 형상으로서 Model A가 가장 이상적인 공기의 흐름이라 볼 수 있다.
너무 많거나 적지도 않은 날개 수로 공기의 흐름이 가장 원활히 흐르는 형상을 나타내고 있다. Model B는 10개 의 날개와 형상으로서 첫 번째 모델에 비하여 공기흐름 의 간격이 커진 것을 볼 수 있다. 날개의 수와 형상이 공 기의 흐름에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. Model C는 날개의 수가 3개로서 5개의 날개인 Model A에 비 하여 공기의 유동이 작은 것을 확인할 수 있다. 그리고 프로펠러 날개의 수가 적으면 적을수록 공기의 유동이 작아지는 것을 볼 수 있다. Fig. 4는 3개의 각 유동 모델 들에 대한 압력들의 분포를 나타내고 있다. Model A는 유동 흐름의 전면부에서 최대 0.5631 MPa의 압력을 받 고 있고, Model B는 0.5758 MPa의 압력을 받고 있다.
또한 Model C는 0.5589 MPa의 압력을 받고 있다. 각 유동 모델들에 대한 압력들의 분포를 비교해 보면, Model B가 그 압력 분포가 제일 높은 것으로 볼 수 있 다.
(a) Model A
(b) Model B
(c) Model C
Fig. 4. Pressures on flow models4. 결론
본 연구에서는 경비행기의 추진체인 프로펠러인 3개 및 5개 또는 10개가 있는 날개의 모델들을 설계하여 날 개 수에 따른 공기 유동 해석을 하였다. 연구된 결과는 다음과 같다.
1. Model A에 대해서는 5개의 날개들이 있는 유동 형상으로서 Model A가 가장 이상적인 공기의 흐 름을 보이고 있다.
2. 너무 많거나 적지도 않은 날개 수로 공기의 흐름이 가장 원활히 흐르는 형상을 나타내고 있다. 프로펠 러 날개의 수가 적으면 적을수록 공기의 유동이 작 아지는 것을 볼 수 있다.
3. Model A는 공기 유동의 전면부에서 최대 0.5631 MPa의 압력을 받고 있다. 또한 Model B와 Model C는 0.5758 MPa 및 0.5589 MPa의 압력 을 각각 받고 있다. 각 유동 모델들에 대한 압력 등 고선들을 비교해 보면, Model B가 그 압력 분포 가 제일 높은 것으로 볼 수 있다.
4. 경비행기의 날개 주위에서의 공기 유동 해석을 통 하여 경비행기의 날개의 설계를 효율적으로 설계함 으로서 유동 저항을 줄일 수 있다고 사료된다. 그리 고 본 연구 결과는 경비행기 프로펠러의 미적인 융 합 설계에 도움이 될 수 있다고 보인다.
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최 계 광(Kye-Kwang Choi) [정회원]
․ 1993년 2월 : Pusan University of Technology Metalmold Engineering (공학사)
․ 1995년 8월 : 국민대학교 대학원 기 계설계학과 (공학석사)
․ 2005년 2월 : 국민대학교 대학원 기 계설계학과 (공학박사)
․ 2005년 8월 : (주) 현대배관 기술부장
․ 2006년 5월 ~ 현재 : 공주대학교 금형설계공학과 교수
․ 2013년 1월 ~ 현재 : 공주대학교 글로벌 금형 기술 연구소 소장
․ 관심분야 : 3D CAD, CAM Programing
․ E-Mail : [email protected]
조 재 웅(Jae-Ung Cho) [종신회원]
