A Study on the Aerodynamic and Aeroacoustic Characteristics of Coaxial rotor with Rotor-Fuselage Interaction

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 공과대학 기계항공공학부, 2018. 2. 이수갑.본 연구는 동체효과를 고려한 동축반전 로터의 공력 성능 및 소음 특성에 관한 수치 해석적 연구이다. 동축반전 로터는 20세기 중반부터 본격적으로 연구가 시작되어 넓은 영역에서 수송의 목적으로 주로 운용되고 있다. 기존의 단일 로터에 비해 고속화와 고양력화를 만족하고, 최근 소형화된 드론에 대한 요구 등으로 동축반전 로터에 관한 연구가 필요로 되고 있다. 또한 소형화된 무인 회전익기가 인간의 삶에 가까워짐에 따라 실제 운용시의 공력 및 소음 특성을 더욱 정확히 예측하는 것이 요구된다. 본 연구에서는 자유후류 와류 격자 기법을 기반으로 동체효과를 고려하여 제자리비행시 동축반전 로터의 공력 및 소음 특성 해석을 수행하였다. 효율적인 계산을 위해 등와선도 후류 모델과 곡선 와류 요소 등의 수치해석적 기법들을 그리고 소음 해석에는 Ffowcs-Williams Hakwings의 방정식을 적용하였다. 동체는 S-69 기체의 형상을 참조하였고, 그 표면에는 소스와 와류 패널을 분포시켜 후류와의 상호작용이 가능하도록 하였다. 동체효과를 고려한 동축반전 로터의 제자리비행시 공력 성능 및 소음 특성 해석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다. 동체효과를 고려한 단일 로터의 공력 특성과 유사하게 동축반전 로터의 경우에도 로터 블레이드가 동체 위를 지나는 지점에서 동체에 의한 유도속도가 비정상적인 올려흐름을 발생시켜 로터의 추력과 양력 계수가 방위각에 따라 주기적으로 증가하는 특징을 가진다. 상승된 공력 성능이 소음에도 영향을 주어 모든 방위각에서 전체 소음도가 소폭 증가하였고, 그 중 동체를 지나는 지점에서는 특히 유의미한 소음의 크기가 증가한다. 또한 동체효과를 고려했을 경우 2nd BPF 이후로 소음 크기의 산란이 더욱 커지는 현상이 발생한다. 주요어 : 동축반전 로터, 동체-로터 상호작용, 자유후류 와류격자기법 학 번 : 2016-20733Abstract A Study on the Aerodynamic and Aeroacoustic Characteristics of Coaxial Rotor with Rotor-Fuselage Interaction Jong Hui Kim Department of Mechanical and Aerospace Engineering The Graduate School Seoul National University This study investigates the aerodynamic and acoustic characteristics of a coaxial rotor with rotor-fuselage interaction. A coaxial rotor has been researched from mid-twentieth and mainly used for transportation at broad area. Compared to the conventional single rotor, it can satisfies higer lift and faster speed performance trends. Recently a coaxial rotor needs to study for demand of minimal drone. Also, as the miniaturized unmanned rotorcraft approaches to human life, it is required to predict more accurately the aerodynamic and acoustic characteristics during actual operation. In this study, a numerical analysis was conducted to predict the aerodynamic and acoustic characteristics of coaxial rotor with rotor-fuselage interaction for hovering case based on free wake vortex lattice method. For efficient computation, numerical methods such as vorticity contour model and curved vortex element were applied, and Ffowcs-Williams Hakwings's equation was applied to acoustic prediction. A fuselage refers to dimension of the S-69 airframe from Sikorsky, and then source and vortex panels are distributed on the surface to enable interaction with the wake. The following conclusions were drawn through the analysis of aerodynamic and aeroacoustic characteristics of a coaxial rotor with rotor-fuselage interaction at hovering case. Similar to the aerodynamic characteristics of a single rotor in consideration of a rotor-fuselage effect, in the case of a coaxial one, the induced velocity by fuselage at the point where the rotor blade passes over the fuselage causes an unsteady upwash. So, the thrust and lift coefficient of coaxial rotor are periodically increased with azimuth angle. Elevated aerodynamic performance also affects noise, resulting in a slight increase in overall noise level at all azimuths, especially at the point of passing through the fuselage. Also, considering the rotor-fuselage effect, the noise scattering becomes larger after 2nd BPF. keywords : Coaxial rotor, Rotor-fuselage interaction, Free- wake vortex lattice method Student Number : 2016-207331. 서론 1 1.1. 동축 반전 로터의 개념 1 1.2. 선행 연구 2 1.3. 연구 목적 3 2. 본론 4 2.1. 공력해석 기법 4 2.2. 소음해석 기법 9 2.3. 해석 기법 검증 12 2.4. 해석 조건 및 동체 모델링 16 3. 결과 및 검토 19 3.1. 공력해석 결과 19 3.2. 소음해석 결과 22 4. 결론 27 5. 연구의 한계 및 후속 연구 방향 28 참고문헌 29 Abstract 32Maste