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4.5 유동 해석: 부품-프로펠러

1. 프로펠러 생성​

그림 1. 파라메트릭 프로펠러 또는 CAD 업로드 선택

프로펠러 생성 과정은 수치 입력 설계와 외부 CAD 가져오기 두 가지 방법을 지원합니다.

1.1. 수치 입력 설계​

그림 2. 파라메트릭 프로펠러 편집기

파라메트릭 프로펠러 생성 인터페이스에서는 단면 및 회전축 관련 파라미터를 입력하여 프로펠러 형상을 정의할 수 있습니다. 인터페이스는 뿌리 단면, 중간 단면, 끝 단면, 회전축의 네 개 탭으로 구성되어 있습니다.

블레이드 수: 블레이드(날개)의 개수를 지정합니다.

1.1.1. 단면(뿌리, 중간, 끝)​

뿌리 단면, 중간 단면, 끝 단면 탭은 동일한 파라미터를 공유하며, 각각 블레이드 스팬 상의 세 위치에서의 단면 형상을 정의합니다. 각 섹션별 주요 파라미터는 다음과 같습니다.

  • 폭(Width): 해당 섹션에서의 시위 길이
  • 알파(Alpha): 시위선과 기준축 사이의 각도
  • 베타(Beta): 해당 위치에서의 스윕 또는 비틀림 각도
  • 전연 반경: 전연 곡률의 상대 반경
  • 후연 반경: 후연 곡률의 상대 반경
  • 두께(Thickness): 에어포일 최대 두께
  • 최대 두께 위치: 시위선 상에서 최대 두께가 위치하는 지점
  • 깊이(Depth): 허브 중심에서 해당 단면까지의 반경 거리

1.1.2. 회전축 파라미터​

회전축 탭에서는 허브 형상 및 블레이드 수와 관련된 설정을 할 수 있습니다.

  • 블레이드 수: 전체 블레이드 개수 지정
  • 캡 사용: 허브 중심의 반원 솔리드 설정 여부
  • 허브 외경: 허브 외부 반경
  • 허브 내경: 허브 내부 반경
  • 허브 높이: 회전축 방향 높이

모든 입력값을 올바르게 지정한 후 생성(Create) 버튼을 클릭하면 위와 같이 형상이 생성됩니다.

1.2. 외부 CAD 가져오기​

CAD 파일이 준비되어 있다면, 그림과 같이 Browse Files를 클릭하여 파일을 선택·가져올 수 있습니다.


가져오기가 성공하면 그림과 같이 CAD 형상이 표시됩니다.


2. 유동 영역 생성​

그림 3. 회전 및 외부 유동 영역

유동 영역 생성 단계에서는 프로펠러의 회전축을 기준으로 회전 유동장이 생성되며, 외부 유동 영역도 함께 정의됩니다.

2.1. 회전축​

  • 유동장의 회전축을 지정합니다.

2.2. 받음각(Angle of Attack)​

  • 유입 유동과 프로펠러 디스크 법선 사이의 각도를 지정합니다. 이 값을 조정하면 회전 프로펠러 주변 내부 유동장의 방향이 달라집니다.

유동 영역은 회전이 발생하는 내부 유동(Inner Fluid) 과 주변 유동(Outer Fluid) 의 두 영역으로 나뉩니다. 상세 설정은 아래와 같습니다.

2.3. 내부 유동​

  • 내부 유동 반경 [mm]: 프로펠러를 감싸며 함께 회전하는 내부 유동 영역의 반경(mm)
  • 내부 반경/프로펠러 반경: 내부 유동 반경을 프로펠러 반경으로 나눈 비율(정규화 설정에 사용)
  • 내부 유동 길이 [mm]: 내부 회전 유동 영역의 축방향 길이(mm)
  • 내부 높이/프로펠러 반경: 내부 유동 높이를 프로펠러 반경으로 나눈 비율

2.4. 외부 유동​

  • 외부 유동 반경 [mm]: 외부(정지) 유동 영역의 반경(mm)
  • 외부 반경/프로펠러 반경: 외부 유동 반경을 프로펠러 반경으로 나눈 비율
  • 외부 전방 유동 길이 [mm]: 프로펠러 전방 외부 유동 영역의 축방향 길이(mm)
  • 외부 전방 높이/프로펠러 반경: 외부 전방 유동 높이를 프로펠러 반경으로 나눈 비율
  • 외부 후방 유동 길이 [mm]: 프로펠러 후방 외부 유동 영역의 축방향 길이(mm)
  • 외부 후방 높이/프로펠러 반경: 외부 후방 유동 높이를 프로펠러 반경으로 나눈 비율

설정이 올바르면 그림과 같이 유동장이 생성됩니다.


3. 시뮬레이션 설정​

그림 4. 자유류 및 회전 조건

3.1. 풍속 [m/s]​

  • 입구 경계에서의 유입 유동 속도를 지정합니다.

3.2. RPM​

  • 프로펠러의 분당 회전수(RPM)를 설정합니다.

3.3. 시뮬레이션 정밀도​

  • 격자 밀도 및 세분화 수준을 설정합니다.
  • 고급 옵션 활성화 시 상세 격자 설정이 가능합니다.

3.3.1. 격자 파라미터(고급 옵션)​

  • 2D 격자 타입

    • 면에 적용되는 표면 격자 타입 선택
      • Triangle(삼각형)
      • QuadDominant(사각형 우세)
      • Quadrangle(사각형)

  • 3D 격자 타입

    • 유동 영역 내부에 적용되는 볼륨 격자 타입 선택
      • Tetrahedron(사면체)
      • HexaDominant(육면체 우세)
      • Hexahedron(육면체)

  • 밀도(Density)

    • 전체 격자 밀도를 슬라이더로 조절(값이 높을수록 더 촘촘한 격자 생성)

  • 코달 오차(Chordal Error)

    • 격자 모서리와 실제 형상 간 최대 허용 오차(값이 낮을수록 형상 충실도 향상)

  • 코달 제어 타입(Chordal Control Type)

    • 코달 오차 적용 방식 선택
      • No Curvature(곡률 무시)
      • Isotropic & Approximate Curvature(등방성 근사 곡률)
      • Anisotropic & Approximate Curvature(이방성 근사 곡률)
      • Isotropic & Exact Curvature(등방성 일치 곡률)
      • Anisotropic & Exact Curvature(이방성 일치 곡률)

  • 최대 크기 변화율(Max Gradation)

    • 인접 요소 간 크기 비율의 최대값(격자 전이의 부드러움 제어)

  • 최소 크기(Min Size)

    • 생성되는 격자의 최소 모서리 길이

  • 최소 모서리 요소 개수(Min Edge Element Count)

    • 모서리별 최소 요소 개수

  • 최대 모서리 요소 개수(Max Edge Element Count)

    • 모서리별 최대 요소 개수

  • 최대 코달 오차 비율(Max Chordal Error Ratio)

    • 실제 코달 오차와 목표값 간 최대 비율

  • 고차 요소 모드(High Order Mode)

    • 곡면에 대한 고차 처리 방식
      • Interpolated(보간)
      • On the edges/faces but not equidistant(모서리/면에 있으나 등간격 아님)
      • On the edges/faces but equidistant(모서리/면에 등간격)

  • 모서리 요소 개수 균등화(Even Element Count on Edge)

    • 대칭성 또는 주기성을 위해 모서리 요소 개수를 짝수로 강제(필요시)

설정이 완료되면 Set Simulation 버튼을 눌러 격자 작업을 생성합니다.

잠시 후 격자가 정상적으로 생성되었는지 확인합니다.

팁: 생성된 격자의 품질을 확인하려면 More > Clipping Plane 기능을 활용하는 것이 좋습니다. 내부 격자 구조를 단면으로 확인하여 격자가 적절하게 생성되었는지 확인할 수 있습니다.


4. 시뮬레이션 실행​

그림 5. 시뮬레이션 정확도와 가속 설정 및 실행

그림 5. 회전 유동 시뮬레이션 실행 중

코어 수: 시뮬레이션에 사용할 연산 노드(코어) 개수를 지정합니다. 일반적으로 노드 수가 많을수록 계산 속도가 빨라지지만, 사용한 노드 수에 비례하여 크레딧이 소모됩니다.


5. 잔차(Residual)​

그림 6. 수렴한 CFD 잔차 이력

Run Simulation을 실행하면 잔차(Residual) 패널에서 시뮬레이션 진행 상황 또는 완료 여부를 확인할 수 있습니다.


6. 결과(Result)​

그림 6. 프로펠러 CFD 결과 및 유선

결과 섹션에서는 속도, 압력, 각 난류 항을 3차원 컨투어로 시각화할 수 있습니다.
속도항의 경우 유선(스트림라인) 시각화도 지원합니다.


7. 레포트(Report)​

이 섹션에서는 시뮬레이션 결과로부터 산출된 수치 데이터를 바탕으로 프로펠러 성능을 평가할 수 있습니다.

그림 7. 리포트: 프로펠러 성능 지표 및 요약

7.1. 프로펠러 성능 분석​

무차원 성능 계수를 표시합니다.

  • 추력 계수(Thrust Coefficient): 프로펠러가 발생시키는 무차원 추력
  • 토크 계수(Torque Coefficient): 프로펠러 회전에 필요한 무차원 토크

7.2. 성능 요약​

주요 성능 파라미터를 요약합니다.

7.2.1. 엔진 계산​

  • 추력(Thrust Generated): 프로펠러가 생성하는 전체 축방향 힘(추진력)
  • 토크(Torque Required): 공력 저항에 의한 프로펠러 축 토크(모터 선정에 활용)
  • 필요 동력(Power Required): 주어진 RPM에서 토크를 극복하는 데 필요한 기계적 입력 동력(P=2πnQ)
  • 회전 방향(Rotation Direction): 프로펠러의 회전 방향(CW/CCW), 와류 및 스월에 영향
  • 회전축(Rotation Axis): 회전축의 방향(예: +X, +Y 등)

7.2.2. 운용 파라미터​

  • 회전수(RPM): 프로펠러의 분당 회전수, 추력 및 토크에 직접 영향
  • 주파수(Frequency): 해석 시간 스텝 주파수(비정상 해석에서 수치적 안정성과 관련)
  • 공기 밀도(Air Density): 가정된 유체 밀도(기본값 1.225[kg/m^3])
  • 받음각(Angle of Attack): 유입 유동과 프로펠러 디스크 법선 사이의 각도(추력 생성에 영향)
  • 레이놀즈 수(Reynolds Number): 블레이드 코드 및 유입 조건에 기반한 무차원 수(유동 특성 판단)

7.2.3. 프로펠러 특성​

  • Figure of Merit(FoM): 이상적인 호버 효율(회전익 해석에서 활용)
  • Advance Ratio(J): 비행체의 전진 속도와 프로펠러 회전 속도의 관계를 나타내는 무차원 수
  • 효율(Efficiency, η): 입력 동력이 유효 추력으로 얼마나 잘 변환되는지 나타내는 추진 효율
  • 동력 계수(Power Coefficient, Cp): 입력 동력의 정규화 값

7.2.4. 블레이드 형상​

  • 블레이드 수(Blade Count): 프로펠러 블레이드 개수(하중 및 효율에 영향)
  • 직경/반경(Diameter/Radius): 프로펠러의 실제 크기(모든 무차원 계산에 사용)

7.3. 힘 및 모멘트 분포​

그림 8. 리포트: 시스템 힘과 모멘트 분포 및 시간 이력

총 공기역학적 힘과 모멘트를 다음과 같이 분해하여 표시합니다.

  • 압력 힘(Pressure Forces): 정압 및 동압 분포에 의한 표면 힘
  • 점성 힘(Viscous Forces): 전단응력 및 유체 점성에 의한 힘
  • 압력 모멘트(Pressure Moments): 블레이드 표면 압력 분포에 의한 토크
  • 점성 모멘트(Viscous Moments): 점성(전단) 효과에 의한 토크(일반적으로 압력 모멘트보다 작음)

각 항목은 X, Y, Z 성분으로 분해되어 대칭성, 불균형, 축 하중 평가에 활용됩니다.

7.4. 시간 이력(Time History)​

시간에 따른 힘 및 모멘트 변화를 그래프로 제공합니다.

  • 비정상 해석에서 수렴 여부 확인
  • 정상 상태 도달 여부 및 진동/불안정성 탐지

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