[논문 리뷰] Large-eddy simulations of the flow around a NACA0012 airfoil at different angles of attack

Larissa B. Streher|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 04.

Fluid Dynamics and Turbulent Flows인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 레이놀즈 수 Re = 100,000에서 NACA0012 공기역학체를 대상으로 벽면 해상도를 확보한 대류 시뮬레이션(LES)을 사용하여, 공격각 α = 0°, 5°, 11°에서 난류 유동을 연구한다. 주요 기여는 향후 유체-구조 상호작용 및 플러터 분석을 위한 정확도와 계산 비용의 최적 균형을 확보한 중간 해상도 메쉬와 최적의 벽면 거리(y⁺_max)를 특정한 것으로 밝혀냈으며, 특히 공격각 ≤5°인 경우에 해당한다.

ABSTRACT

The purpose of this work is to investigate the flow around a fixed NACA0012 airfoil profile at different angles of attack using wall-resolved LES. The profile has a chord length of c=0.1 m and is exposed to a flow at a Reynolds number of Re=100,000. The background is that in the next step the coupled problem should be considered, dealing with the flutter problem. The software ANSYS ICEM CFD is utilized in order to generate the meshes, which are then applied for the simulation with the in-house software FASTEST-3D. This is based on a finite-volume approach and a three sub-steps predictor-corrector scheme as spatial and temporal discretizations, respectively. The turbulence is modeled by the large-eddy simulation technique and the subgrid-scales are modeled according to Smagorinsky. An analysis of the meshes concerning the dimensionless wall distances is performed based on the spatial and time-averaged results of the velocities, the spatial and time-averaged streamlines, the instantaneous velocities, the spatial and time-averaged Reynolds stresses and the aerodynamic coefficients. A selection of the less computational time demanding grids that can correctly approximate the solutions of the test case is made. In a near future these will be applied to investigate the fluid-structure interaction and particularly the flutter phenomenon of the NACA0012 profile within a turbulent flow.

연구 동기 및 목표

• 고정된 NACA0012 공기역학체를 대상으로 다양한 공격각에서 고정밀 대류 시뮬레이션(LES)을 사용하여 난류 유동을 연구하기 위해.
• 메쉬 해상도와 벽면 거리(y⁺)가 해석 정확도와 계산 비용에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 향후 유체-구조 상호작용(FSI) 및 플러터 분석을 위한 계산 효율은 높지만 정확도는 유지하는 메쉬 구성 선택하기 위해.
• 실험 데이터와의 비교를 통해 LES 결과를 검증하고, 다양한 공격각에서의 메쉬 수렴성 평가하기 위해.
• 난류 조건 하에서 동적 공기역학체 반응을 다룰 향후 시뮬레이션의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 공간 및 시간 이산화를 위해 3단계 예측-수정 기법을 사용하는 내부 개발 유한부피 해석기 FASTEST-3D를 사용하여 수치 시뮬레이션을 수행한다.
• 대류 시뮬레이션(LES) 기법을 적용하고, 대규모 난류 구조를 해석하고 미세 스케일 응력은 스마고린스키 모델로 모델링한다.
• ANSYS ICEM CFD를 사용하여 구조적 블록 구조를 가진 육각체 메쉬를 생성하였으며, 다양한 y⁺ 수준에 맞는 세밀 및 중간 해상도 옵션을 제공한다.
• 경계 조건으로는 속도 입구, 대칭 평면, 반사 없는 출구, 그리고 스파이널 방향의 순환 경계 조건을 적용하여 2차원 유동을 시뮬레이션한다.
• 검증 및 메쉬 평가를 위해 공간 평균 및 시간 평균 유동장, 레이놀즈 응력, 항공역학 계수(Cp, Cf, CD, CL)를 계산하고 분석한다.
• 메쉬 품질 평가를 위해 차원이 없는 벽면 거리(y⁺) 분 析를 수행하였으며, 다양한 공격각과 평균 시간에 따른 결과를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Re=100,000에서 NACA0012 공기역학체를 둘러싼 유동에 대해 다양한 메쉬 해상도와 벽면 정규 방향 y⁺ 값이 LES의 정확도와 계산 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 α=0°, 5°, 11°에서 유속, 유선, 레이놀즈 응력에 대한 LES 결과가 실험 데이터와 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 α=11°에서 해석 결과는 메쉬 해상도에 독립적인가, 아니면 메쉬나 평균 시간 효과로 인한 오차인가?
• RQ4 계산된 압력 계수와 난류 저항 계수는 실험 측정치와 어떻게 비교되며, 관측된 편차의 원인은 무엇인가?
• RQ5 향후 유체-구조 상호작용 시뮬레이션을 위한 정확도와 계산 효율성의 최적 균형을 이루는 메쉬 구성은 무엇인가?

주요 결과

• 공격각 5° 이하의 경우, y⁺_max를 가진 중간 해상도 메쉬가 정확도와 계산 비용 사이의 최적 균형을 이룩하여 향후 FSI 연구에 적합하다.
• α=0°에서 세밀 메쉬와 중간 메쉬 모두 압력 계수 및 난류 저항 계수에서 실험 데이터와 양호한 일치를 보였지만, 실험에서는 벽면 경계층 제어 기법 덕분에 발생하지 않는 경계층 분리 현상이 LES에서는 관측되었다.
• α=5° 및 α=11°에서 압력 계수의 편차는 주로 레이놀즈 수의 차이와 유동 분리 행동의 차이에서 기인하며, 특히 흡입면에서 더 큰 편차가 발생한다.
• 레이놀즈 응력 분석 결과, α=11°에서 두 중간 해상도 메쉬 간에 명백한 메쉬 독립성이 나타나지 않아 고공격각 유동의 경우 추가 정밀화가 필요하다는 것을 시사한다.
• 계산된 항력 계수와 양력 계수의 경우 α=11°에서 더 큰 편차가 나타나 메쉬 해상도에 민감할 수 있으며, 향후 메쉬 수렴성 연구가 필요하다는 것을 시사한다.
• 공격각 ≤5°인 FSI 시뮬레이션에는 y⁺_max를 가진 중간 해상도 메쉬를 권장하며, θ>5°인 경우는 해상도가 부족한 흐름 불안정성으로 인해 고해상도 메쉬가 필요하다.