High-Order CFD

현재 전산유체역학은 항공기 및 우주발사체를 개발하는 과정에서 공력 현상을 해석하는 주요한 방법이다. 기술적으로 비행체가 순항 비행하는 과정에서 정상 유동을 2차 공간정확도를 갖는 수치기법을 이용해서 Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 해석하여 공력 특성을 분석하고 있다. 이러한 영역에서 현재 전산유체역학은 매우 정밀하게 공력 특성을 분석할 수 있으나, 비행체가 고기동하거나 비행체의 기저부와 같이 매우 큰 박리 유동이 발달하는 영역에서 정확도가 상당히 문제가 되고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 21세기 들어서 기존의 전산유체역학의 해석 정확도를 10배 이상 향상시키고 난류 유동에 발달하는 다양한 크기의 와류 구조를 가급적 직접 모사할 수 있는 기법들이 연구되고 있다. 이러한 해석 방법론은 비교적 간단한 형상에서 실제 실험과 매우 놀라울 정도로 근사하게 모사할 수 있다. 최근 각광을 받는 GPU와 같은 매니코어 프로세서를 활용해서 계산을 매우 크게 향상시킬 수 있어서, 실제 공학적인 문제에서 이러한 고차정확도 CFD 기법이 본격적으로 연구되고 있다. 본 연구실에서는 비행체 주위 도전적인 유동 현상을 고차정확도 CFD로 해석한는 연구를 수행하고 있다.

날개 주위 박리 거품 해석

비행체의 날개는 유동과의 각도인 받음각이 커지면서 위/아래 면 사이 압력차가 커지면서 양력이 증가한다. 날개 윗면에서는 유동이 가속되면서 역압력 구배가 발생하며 받음각이 커지면서 유동이 박리될 수 있다. 날개 형상 및 유동 조건에 따라 날개 앞전 또는 뒷전 일부에서 박리거품이 발달할 수 있으며, 윗면 전체에서 대규모 박리 유동이 발달하면서 실속에 빠질 수 있다. 고차저확도 CFD 기법을 활용할 경우 이에 따라 발달하는 복잡한 유동 구조를 포착하여 비선형적인 공력특성을 정밀하게 예측할 수 있다.

발사체 기저부 주위 박리 유동 해석

발사체의 기저부에서는 유동이 크게 박리되면서 압력이 크게 낮아지면서 상당한 항력이 발생한다. 현재 RANS 난류 모델의 경우 기저항력을 예측하는데 어려움이 있다. 고차정확도 CFD 기법을 활용할 경우 복잡한 난류 유동 구조를 포착하고 기저 항력을 매우 정확하게 예측할 수 있다.