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eVTOL: 빠른 공력 해석

튜토리얼 썸네일

대상 항공기 정보​

  • 주날개 길이(main wing span): 1.479[m]
  • 동체 길이(fuselage length): 0.915[m]
  • 4개 호버링 프로펠러
    • 직경: 0.24[m]
    • 날개골: NACA-4412
    • RPM: 4000

샘플 stl 파일 다운로드​

튜토리얼을 진행하기 위해 샘플 stl 파일을 다운로드하세요:

샘플 CAD 파일

📦 skysurfer_vortex.stl

1단계: CAD 형상 가져오기​

그림 1. CAD 가져오기

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

유의 사항:

  • STL 파일은 2000개 미만의 표면 요소를 포함해야 함
  • 형상은 수정 없이 해석에 직접 반영됨
  • 가져오기 전에 적절한 스케일과 단위 확인

2단계: 프로펠러 구성​

동일한 프로펠러를 여러 개 생성하고자 할 때는 블레이드 형상을 먼저 정의한 다음 프로펠러를 복사하면 블레이드 형상 정보가 복사되어 빠르게 작업할 수 있습니다.

2.1. 블레이드 설정​

  1. 에어포일 선택: NACA-4412
  2. 블레이드 개수: 2개
  3. 블레이드 단면 개수: 6개
  4. 블레이드 단면 데이터: 아래와 같이 작성
    • 반경 위치: 프로펠러 중심으로부터의 거리 [m]
    • 시위 길이: 해당 섹션에서 블레이드 폭(시위선 길이) [m]
    • 비틀림 각도: 블레이드 섹션의 피치 각도 [°]
    • 비틀림 위치: 비틀림 축의 시위 방향 위치 (0 ~ 100)
[radius, chord, twist, twist axis]
0.005, 0.02, 12, 25
0.02, 0.03, 15, 25
0.04, 0.035, 20, 25
0.06, 0.03, 15, 25
0.08, 0.03, 10, 25
0.1, 0.02, 5, 25
0.12, 0.01, 0, 25

2.2. 프로펠러 배치​

그림 2. 프로펠러 생성

위 그림을 참고하여 프로펠러 배치 위치를 설정합니다.

prop 1: <-0.3, -0.26, 0.01>
prop 2: <-0.3, 0.26, 0.01>
prop 3: <0.2, -0.26, 0.02>
prop 4: <0.2, 0.26, 0.02>

3단계: 시뮬레이션 설정 및 실행​

3.1. 시뮬레이션 설정​

  • 시뮬레이션 스타일, VPM 활성화: 사용자가 자유롭게 선택
  • 유동 속도: 0[m/s]
  • 코어 개수: 8개 이상 권장

4단계: 시각화 확인​

그림 3. 해석 결과

시각화는 주로 유동 해석 결과가 물리적으로 타당한지를 검토할 때 많이 사용합니다. 이번 해석에서는 주로 이러한 현상을 검토합니다.

  • 블레이드 끝에서 강한 순환 발생 여부
  • 프로펠러 근방 유동: 헬리코일 모양(helicoil shape)의 유동의 흐름
  • 프로펠러에서 떨어진 유동: 후류가 바깥 방향으로 말려 올라가는(이하 wake roll up) 형태

5단계: 보고서 확인​

5.1. 시스템 힘과 모멘트​

그림 4. 보고서: 시스템 6분력

항공기 전체에 작용하는 힘을 검토합니다.

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

분석 팁:

  • 총 추력 (Fz): 예상 양력 요구사항과 일치해야 함
  • 모멘트: 안정적인 비행을 위해 균형을 이루어야 함

5.2. 프로펠러 성능​

그림 5. 보고서: 프로펠러 성능(1) 그림 6. 보고서: 프로펠러 성능(2)

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

동력 계수 (Cp)

  • 동력 소비를 나타냄
  • 모터 요구사항과 관련

성능 지수 (FM, Figure of Merit)

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

6.3. 단면 하중 분포​

그림 9. 보고서: 단면 하중 분포

추력 분포 그래프:

  • X축: 반경 위치 (0 = 허브, 1 = 팁)
  • Y축: 국부 추력
  • 이상적: 블레이드 중간 부근에 피크가 있는 부드러운 곡선

토크 분포 그래프:

  • 블레이드를 따른 동력 요구사항 표시
  • 고부하 영역 식별에 도움
  • 구조 설계에 유용

설계 인사이트:

  • 반경 70-80%에서 피크 하중: 좋은 설계
  • 높은 팁 하중: 팁 실속 위험
  • 불균일한 분포: 블레이드 재설계 고려

항공기 설계 팁 및 문제 해결​

1) 추력이 부족한 경우​

  • RPM 증가
  • 블레이드 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) 항공기 모멘트나 힘에서 안정성이 문제가 있는 경우​

  • 프로펠러 힘 균형
  • 프로펠러 위치 조정
  • 모멘트 분포 확인
  • 대칭 구성 검증

4) stl 가져오기 실패​

  • 해결책: STL이 2000개 미만의 요소를 가지고 있는지, 적절한 형식인지 확인

5) 해석 시간이 너무 오래 걸림​

  • 해결책: "빠름" 모드 사용, 블레이드 섹션 감소, VPM 비활성화

6) 결과가 비현실적으로 보임​

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

7) 성능 지수 > 1.0​

  • 해결책: 입력 파라미터, 유동 조건 또는 RPM 설정 재확인

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자주 묻는 질문: FAQ 링크

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