Simcenter를 통해 연구 성과가 향상됩니다
sUAS(소형 무인 항공기 시스템)는 페이로드를 포함한 최대 중량이 55파운드(lbs.)이고 시속 100마일(mph) 미만으로 비행하도록 제한되는 독특한 종류의 드론입니다. 이러한 유형의 드론은 부동산 항공 사진 촬영, 전신주 및 셀 타워 검사 등 상업용 용도로 매우 인기를 얻고 있습니다. 또 아마존, 미국우정국(UPS) 등 대규모 택배회사도 드론 활용을 조사하고 있다.
캔자스 주 위치타에 위치한 위치타 주립 대학교 국립 항공 연구소(NIAR)는 최근 sUAS 설계 분석 및 제조 분야에서 NIAR의 역량을 강조하기 위한 기술 시연자 역할을 하는 sUAS를 설계했습니다. NIAR이 선택한 설계 사양은 sUAS가 최대 이륙 중량 55lbs로 50mph로 순항하는 것입니다. 드론은 수직 이륙(VTOL) 비행을 위해 전기 추진 장치를 사용하고 전진 비행을 위해 푸셔 프로펠러가 있는 내연 기관을 사용합니다. 날개를 공기역학적으로 설계하기 위해 파라메트릭 CAD(컴퓨터 지원 설계) 모델에서 여러 설계 반복이 수행되었습니다.
1/3 규모의 풍동 모델은 적층 제조 기술을 사용하여 제작되었으며 NIAR Walter H. Beech 풍동에서 테스트되었습니다. 전산유체역학(CFD) 결과와 풍동실험 결과를 비교하였습니다. 또한, 공랭식 내연기관의 냉각 성능을 이해하기 위해 CFD-열 결합 해석을 수행했습니다.
그 결과, sUAS의 공냉식 내연기관의 냉각 성능이 향상되는 것으로 나타났습니다. sUAS의 공기역학적 설계는 다음과 같은 이해관계자 요구 사항에서 영감을 얻었습니다.
테일리스, 다중 변형 구성
수색 및 구조 임무를 수행하고 5파운드의 탑재량을 투하할 수 있는 능력. 50mph의 순항 속도에 도달합니다.
5시간의 전방 비행 체공시간
최대 이륙 중량은 55파운드입니다. FAA(연방항공청) Part 107 인증 카테고리 자격을 얻으려면
그림 1: sUAS의 수치 모델에 사용된 데카르트 메쉬.
CAD에 내장된 기능으로 생산 속도 향상
NIAR은 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter™ FLOEFD™ 소프트웨어를 사용하여 sUAS를 공기역학적으로 설계했습니다. NIAR은 Simcenter FLOEFD가 다른 CFD 코드에 비해 많은 이점을 제공한다고 느꼈습니다. CAD에 내장된 기능을 통해 유체 영역을 자동으로 감지할 수 있으며 형상을 수정하거나 정리할 필요가 없습니다. 따라서 여러 설계 반복을 평가하는 리드 타임이 더 짧습니다. 그리고 몰입형 바디 데카르트 메쉬를 사용하면 복잡한 형상에 대한 빠른 메쉬 구축이 가능합니다.
공기역학적 성능을 최적화하고 안정적인 구성을 달성하기 위해 익형, 스윕 및 입사각, 2면각의 다양한 조합에 대한 설계에 대한 파라메트릭 연구가 수행되었습니다.
Simcenter FLOEFD는 FavreAveraged Navier-Stokes 모델을 기반으로 합니다. 지배 방정식은 유한체적법을 사용하여 이산화됩니다. NIAR은 이 연구에서 Simcenter FLOEFD의 압력 기반 솔버를 사용했습니다. 이는 공간 미분의 2차 정확도와 시간 미분의 1차 정확도를 갖는 암시적 방식을 기반으로 합니다. 흐름은 완전 난류로 계산되었으며 수정된 ke 2방정식 난류 모델이 사용되었습니다. 본 연구에서 사용된 데카르트 메쉬는 그림 1에 나와 있습니다. 압력 분포와 마하수 윤곽은 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2: 속도 = 50mph, 받음각 = 0°에서의 마하수 윤곽 및 표면 압력 분포
풍동 모델은 Fortus 400 프린터의 PC-ISO에서 3D 프린팅되었습니다. 프린터의 한계에 맞도록 1/3 크기로 인쇄됩니다. 풍동 테스트는 NIAR Walter H. Beech 풍동에서 수행되었습니다. 이는 단면 치수가 7피트 x 10피트인 테스트 섹션을 갖춘 아음속 폐쇄 복귀 및 대기 유형입니다. 모델 구성은 내부 밸런스가 있는 스팅 마운트입니다. 스팅 마운트가 있는 모델은 그림 3에 나와 있습니다.
그림 3: 속도 = 50mph, 받음각 = 0°에서의 마하수 윤곽 및 표면 압력 분포
CFD 시뮬레이션은 순항 조건(속도 50mph, 레이놀즈 수 750,000)에서 수행되었습니다. 경계층은 Simcenter FLOEFD의 수정된 벽 기능 접근 방식을 사용하여 해결되었습니다. 세 가지 방법을 사용할 수 있습니다: 1) 통합 경계층 방법을 기반으로 하는 얇은 경계층 접근법; 2) Van Dryest의 속도 프로파일을 기반으로 하는 두꺼운 경계층; 3) 얇은 경계층 방식과 두꺼운 경계층 방식을 결합한 하이브리드 방식이다. 본 연구에서는 Thin 방식과 Hybrid 방식을 연구하였다. 수치 결과와 실험 결과의 비교는 그림 4와 5에 나와 있습니다.
그림 4를 살펴보면 Simcenter FLOEFD 시뮬레이션 결과와 얇은 경계층 접근 방식을 사용한 영하 10~5도 사이의 풍동 결과 사이에 좋은 일치가 있음을 알 수 있습니다. 이 접근법은 그림 5에서 볼 수 있듯이 측면 미끄러짐 각도 스윕에도 잘 작동합니다.
그림 4: 양력, 항력, 피칭 모멘트 계수 비교.
그림 5: 측면 힘, 요잉 및 롤링 모멘트 계수 비교
하이브리드 경계층 접근 방식은 높은 받음각에서 양력 예측을 향상시킵니다. 더 높은 각도에서의 항력 예측은 테스트와 상당한 차이가 있었기 때문에 추가 조사가 필요합니다.
sUAS 내연기관의 열 관리는 CFD 해석의 두 번째 초점이었습니다. sUAS 내연기관의 냉각효율 향상을 위한 덕트 설계를 위해 복합열전달(CHT) 해석을 수행하였다. CHT 분석은 고체의 전도로 인한 열 전달(푸리에의 법칙, 뉴턴의 냉각 법칙)과 유체의 대류로 인한 열 전달(Navier-Stokes 방정식)을 기반으로 합니다.
"Simcenter FLOEFD에서 이 작업을 수행할 수 있는 기능은 일반적으로 CFD 분석가에게 맡겨야 하는 설계 엔지니어에게 강력한 도구를 제공합니다."라고 위치타 주립대학교 NIAR 연구 엔지니어인 Harsh Shah는 말합니다.
덕트가 있는 엔진 어셈블리와 덕트가 없는 엔진 어셈블리의 온도 분포 비교가 그림 6에 나와 있습니다. 어셈블리에 통합된 덕트와 통풍구를 사용하면 엔진 어셈블리의 최대 온도가 약 17% 감소합니다.
Shah는 “Simcenter FLOEFD는 NIAR용 데모 sUAS를 설계할 때 귀중한 도구였습니다.”라고 말했습니다. “이를 통해 드론의 공기 역학적 설계와 내연 기관의 냉각 전략 최적화에 대해 여러 설계 반복을 수행할 수 있었습니다. Simcenter FLOEFD는 NIAR의 기본 도구이며 수많은 프로젝트에서 사용되었습니다.”
그림 6: 덕트가 있는 엔진 어셈블리와 덕트가 없는 엔진 어셈블리의 온도 분포(유체 및 고체) 비교.
[출처] https://resources.sw.siemens.com/en-US/case-study-niar-wichita-state-university-simcenter
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