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프로펠러: 유동 해석

튜토리얼 썸네일

대상 프로펠러 정보​

  • 직경: 0.25[m]
  • MAC: 0.025[m]
  • 에어포일: NACA-0012
  • RPM: 1000
  • 유입 유속: 4[m/s]

샘플 step 파일 다운로드​

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샘플 CAD 파일

📦 NACA 0012 Propeller.step 다운로드

1단계: CAD 형상 가져오기​

그림 1. CAD 가져오기

  1. 공력 해석 - 프로펠러 모듈로 이동
  2. CAD 가져오기 버튼 클릭
  3. robin_fuselage_ASC2_scale.stl 파일 선택
  4. 가져오기 후 정상적으로 완료되었는지 확인

유의 사항:

  • 형상은 수정 없이 해석에 직접 반영됨
  • 가져오기 전에 적절한 스케일과 단위 확인

2단계: 유체 생성​

그림 2. 유체 생성

해석 유동영역을 설정합니다. 이 과정에서 회전하는 회전 유동과 회전하지 않는 외부 유동을 정의합니다.

2.1. 유동 방향 및 회전방향 설정​

  1. 유동 방향: 유동 흐름 방향을 6개 중 하나 선택
  2. 프로펠러 회전 방향: 프로펠러가 회전하는 방향을 선택
  3. 받음각: 프로펠러 유동 흐름과 디스크면 법선 사이의 각도를 정의

유의 사항:

  • 유동영역의 방향은 초기에 프로펠러 회전 디스크 영역과 수평으로 설정되어 있어야 함
  • 프로펠러 회전 방향은 형상을 살펴봤을 때 실제로 회전하는 방향으로 선택해야 함

2.2. 회전유동​

프로펠러가 회전하는 유동영역을 설정합니다.

  1. 회전유동 반경: 프로펠러 블레이드 방향의 회전유동 영역 지름 정의
  2. 회전유동 높이: 프로펠러 허브 방향의 회전유동 영역 높이 정의

팁:

  • CAD에서 프로펠러의 직경이 자동으로 계산되어 회전 유동 반경이나 높이 비례값을 사용할 수 있음
  • 일반적인 프로펠러 형상에서 회전유동 반경 비율 1.1 ~ 1.3, 회전유동 높이 비율 0.5 ~ 0.8 권장

2.3. 외부유동​

해석에 필요한 외부유동영역 설정

  1. 외부 유동 반경: 프로펠러 블레이드 방향의 외부유동영역 지름 정의
  2. 외부 전방 유동 높이: 프로펠러 기준 전면의 외부유동영역 길이 정의
  3. 외부 후방 유동 높이: 프로펠러 기준 후면의 외부유동영역 길이 정의

팁:

  • CAD에서 프로펠러의 직경이 자동으로 계산되어 외부 유동 반경이나 높이 비례값을 사용할 수 있음
  • 일반적인 프로펠러 형상에서 외부 유동 반경 비율 5 ~ 10, 외부 전방 유동 높이 비율 5 ~ 8, 외부 후방 유동 높이 비율 10 ~ 30 권장

모든 값을 설정을 마쳤다면, 생성을 실행하여 위 그림과 같이 올바르게 유동 형상이 생성되었는지 확인합니다.

3단계: 설정​

그림 3. 설정

3.1. 유속 정보​

  • 유속: 4[m/s]
  • RPM: 1000[RPM]

3.2. 시뮬레이션 정확도​

  • 3 설정

그림 4. 설정 결과

모든 값을 설정 마쳤다면, 시뮬레이션 설정을 실행한 다음 시뮬레이션 설정 정보들이 반영되면서 격자를 잘 생성했는지 확인합니다.

4단계: 시뮬레이션 실행​

그림 5. 시뮬레이션 실행

  • Core 8이상 권장

시뮬레이션을 실행한 다음, 해석이 완료될 때 까지 기다립니다.

5단계: 해석 결과​

그림 6. 시뮬레이션 해석결과

시뮬레이션을 마친 다음, 결과 창에서 사용자가 원하는 물리값(속도, 압력, 난류계수 등)을 확인할 수 있습니다.

그림 7. 단면 예제

팁:

  • 단면을 확인하면 물리적 현상을 확인할 때 편리합니다.

6단계: 보고서​

그림 7. 보고서

5.1. 프로펠러 성능​

추력 계수 (Ct)

  • 높은 Ct = 회전당 더 많은 추력
  • 일반적인 범위: 0.08 - 0.15

토크 계수 (Cq)

  • 동력 요구사항을 나타냄
  • 낮은 Cq일 수록 더 효율적

성능 지수 (FM, Figure of Merit)

  • FM은 1.0 미만이어야 함
  • 일반적인 범위: 0.6 - 0.85
  • 높은 FM = 더 효율적인 프로펠러

5.2. 힘 / 모멘트 분력​

  • Fx, Fy, Fz: x, y, z 방향 힘 [N]
  • Mx, My, Mz: x, y, z 축 모멘트 [N·m]

해석 팁:

  • 총 추력: 양력 요구사항과 일치되도록 나오는지 확인
  • 모멘트: 안정적인 비행을 위해 균형을 이루어야 함

프로펠러 설계 팁 및 문제 해결​

1) 추력이 부족한 경우​

  • RPM 증가
  • 블레이드 개수 추가
  • 블레이드 시위 길이 증가
  • 비틀림 각도 증가

2) 프로펠러 효율이 낮은 경우​

  • 블레이드 비틀림 분포 최적화
  • 윙렛으로 팁 손실 감소
  • 에어포일 선택 개선
  • 블레이드 간섭 감소

3) 모멘트나 힘에서 문제가 있는 경우​

  • 프로펠러 형상 확인
  • 프로펠러 위치 조정
  • 모멘트 분포 확인
  • 대칭 구성 검증

4) step 가져오기 실패​

  • 해결책: step CAD가 유동 해석에 적절한 형상인지 확인

5) 해석 시간이 너무 오래 걸림​

  • 해결책: 격자 개수 재설정

6) 결과가 비현실적으로 보임​

  • 해결책: 유동 속도 + 팁 속도 < 마하 0.7 확인, 프로펠러 구성 확인

7) 성능 지수 > 1.0인 경우​

  • 해결책: 입력 파라미터, 유동 조건 또는 RPM 설정 재확인

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자주 묻는 질문: FAQ 링크

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