FSI (Fluid Structure Interaction)

공력탄성학(aeroelasticity)은 유체 유동에 직면한 탄성체에서 발생하는 관성력 (inertial force), 탄성력 (elastic force)과 공기력 (aerodynamic force) 의 상호작용에 대해 다루는 학문이다. 탄성체에 이들 힘들이 상호작용하게 되면 항공 구조물의 대변형 거동을 유발하여 항공기 안전에 매우 밀접하게 직결된 정적 및 동적 불안정을 야기할 수 있으므로, 항공기의 설계 단계에서는 이를 필수적으로 확인하는 과정을 거쳐야만 한다. 널리 알려진 대표적인 공탄성 현상으로 플러터(flutter)와 버펫팅(buffeting) 현상이 있다.

공력탄성학은 공기역학, 구조 역학, 구조 동역학 등이 포함된 일종의 다물리(multi-physics) 학문으로, 최근에는 열 혹은 제어 분야의 학문과도 결합하여 공력열탄성학 (aerothermoelasticity), 서보공탄성 (aeroservoelasticity) 분야 등의 연구도 국제적으로 활발히 진행되고 있다. 이와 같은 추세에 발맞추어, 본 연구실에서는 다양한 구조물의 공탄성 거동 예측에 대한 연구를 수행 중에 있다.

Flexible flapping wing analysis

곤충 모방 초소형 비행체의 핵심 연구 분야는 바로 날개짓 (플래핑) 운동을 하는 날개의 성능해석이다. 일반적으로 곤충형 날개는 매우 유연한 구조를 가지고 있는데, 이는 유연한 날개가 비행을 더 효율적으로 할 수 있게 도와주기 때문이다. 특히 길이방향(spanwise direction)으로 일정 한도 내에서 유연한 날개는 강성(rigid) 날개보다 상대적으로 더 큰 양력과 추력을 제공할 수 있다는 것이 실험적으로 밝혀진바 있다. 하지만 해당 물리 현상에 대한 해석은 공기역학적으로는 비정상 저레이놀즈 유동 해석을 포함하고 있으며, 구조역학적으로는 날개의 구조적 대변형을 동반하기 때문에 정밀한 결합 해석이 쉽지 않다. 본 연구에서는 높은 정밀도를 갖는 전산유체해석 코드와 전산구조해석 코드가 결합된 공탄성 해석 기법 및 체계를 구성하였으며, 이를 이용하여 날개짓 운동을 하는 유연한 날개의 성능 해석을 수행하였다.

Rigid Wing	Flexible Wing

Reduced-Order Model

높은 마하수로 비행하는 초고속 비행체 주변에서는 공력가열이라는 현상이 발생하여 비행체가 높은 열환경에 놓이게 된다. 이때 비행체의 강성이 열에 영향을 받아 변하게 되면 비행체 구조의 진동 특성이 크게 변하게 된다. 플러터 등의 구조진동 불안정성은 비행체에 큰 위험을 끼칠 수 있어, 비행체에 대한 열공탄성(aerothermoelastics) 해석을 통한 불안정성 예측이 필요하다. 하지만 열공탄성 해석은 유체, 구조진동, 열전달이 상호작용하는 매우 복잡한 현상을 모사해야 하므로 현재 컴퓨팅 파워로는 실용적인 적용이 불가능하다. 따라서 본 연구실은 열공탄성 해석을 축약하기 위한 공기역학적 축약모델 구축법을 연구하고 있다. 현재 크리깅 기법 및 준-정상 상태 가정을 적용한 축약모델이 구조진동에 대해 비정상 압력 분포를 잘 예측하는 것을 확인하였다. 향후 축약모델이 압력, 열흐름(heat flux)을 예측하고, 구조 격자계와 유체 격자계 간의 데이터 교환을 위한 기법을 연구할 예정이다.