[논문 리뷰] Effects of Leaders Position and Shape on Aerodynamic Performances of V Flight Formation

Huynh Thien, Mochammad Agoes Moelyadi외 1명|arXiv (Cornell University)|2008. 01. 01.

Micro and Nano Robotics참고 문헌 4인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 수치 시뮬레이션을 통해 V비행 형성에서 리더의 위치와 날개 형상이 항공역학적 성능에 미치는 영향을 조사한다. 스토크스 방정식을 k-ε 난류 모델로 풀어, 비틀림 강도가 기울기, 비틀림 각도, 스트레스 비율, 퇴도 비율에 의해 제어되며, 리더의 유도 항력과 후행기의 유리한 상승기류에 직접적인 영향을 미쳐 형성 효율을 최적화함을 보여준다.

ABSTRACT

The influences of the leader in a group of V – flight formation are dealt with. The investigation is focused on the effect of its position and shape on aerodynamics performances of a given V – flight formation. Vortices generated the wing tip of the leader moves downstream forming a pair of opposite rotating line vortices. These vortices are generally undesirable because they create a downwash that increases the induced drag on leader’s wing. However, this downwash is also accompanied by an upwash that can beneficial to the follower’s wing flying behind the leader’s one, namely a favorable lift for the follower’s wing. How much contributions of the leader’s wing to the follower’s wing in the V – formation flight is determined by the strength of tip vortices generated by the leader’s wing which is influenced by its position and shape including incidence angle, dihedral angle, aspect ratio and taper ratio. The prediction of aerodynamic performances of the V–flight formation including lift, drag and moment coefficients is numerically performed by solving Navier – Stokes equations with k - e turbulence model. The computational domain is defined with multiblock topology to capture the complex geometry arrangement of the V – flight formation.

연구 동기 및 목표

• 리더의 날개 위치와 기하학적 형상이 V비행 형성 성능에 미치는 항공역학적 영향을 정량화하는 것.
• 리더의 날개 끝 유도성이 후행기 항공기의 유도 항력과 양력 분포에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 기울기 각도, 비틀림 각도, 스트레스 비율, 퇴도 비율 등의 항공역학적 매개변수들이 유도성 강도와 형성 효율에 미치는 역할을 평가하는 것.
• 계산 유체역학을 사용하여 전체 V비행 형성의 양력, 항력, 모멘트 계수를 수치적으로 예측하는 것.
• 리더의 최적 위치와 날개 설계를 통해 연료 효율을 향상시킬 잠재력을 평가하는 것.

제안 방법

• 표준 k-ε 난류 모델을 사용한 레이놀즈 평균 나비에르-스토크스(RANS) 방정식을 이용한 V비행 형성의 수치 시뮬레이션.
• V비행 형성의 복잡한 3차원 기하구조를 정확히 해석하기 위해 다블록 계산 도메인의 구현.
• 리더의 날개 뒤쪽에서 발생하는 반대 방향으로 도는 선형 유도성으로 날개 끝 유도성을 모델링.
• 해결 과정에서 얻은 압력 및 속도 장을 기반으로 항공역학 계수(양력, 항력, 모멘트)를 계산.
• 비틀림 강도와 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 기울기, 비틀림 각도, 스트레스 비율, 퇴도 비율 등의 날개 매개변수를 체계적으로 변형.
• 리더의 하강기류와 후행기의 상승기류 간의 상호작용을 분석하기 위해 계산 유체역학을 활용하여 성능 향상을 도모.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리더의 날개 기울기 각도가 V비행 형성에서 날개 끝 유도성의 강도와 궤적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비틀림 각도가 후행기 항공기의 항공역학적 성능에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 리더의 날개 스트레스 비율과 퇴도 비율이 유도성에 의한 항력과 후행기의 상승기류 이득에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 리더의 유도성장이 후행기의 양력과 유도 항력에 대한 순항 항공역학적 이득은 무엇인가?
• RQ5 날개 기하구조의 변화가 V비행 형성의 전체 양력 대 항력 비율에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 리더의 날개 기하학, 특히 기울기 각도와 비틀림 각도에 의해 날개 끝 유도성이 직접적으로 영향을 받는다.
• 스트레스 비율과 퇴도 비율을 증가시키면 유도성 강도가 감소하여 리더의 유도 항력도 감소한다.
• 리더의 날개 뒤쪽에 위치한 상승기류 영역은 후행기에게 측정 가능한 유리한 양력을 제공하여 항력 감소에 기여한다.
• 다블록 CFD 설정은 복잡한 유도성 상호작용을 성공적으로 캡처했으며, 항공역학 계수를 정확하게 예측했다.
• 유도성에 의한 하강기류는 리더의 유도 항력을 증가시키지만, 동시에 같은 유도성은 후행기에게 이로운 상승기류를 생성한다.
• 최적의 날개 형상과 위치는 V비행 형성의 전체 항공역학적 효율을 크게 향상시킬 수 있다.