S형 흡입관 CFD 해석 Part 1 - Steady State Flow

1. 개요

본 연구에서는 차세대 GPU 네이티브 CFD 솔버인 Flow360을 활용하여 스텔스 항공기 S-Duct의 공력 성능을 평가하였습니다. Flow360의 대규모 병렬 GPU 연산은 S-Duct 내부의 복잡한 3차원 정상상태 유동을 빠르고 정확하게 해석하여, 설계 초기 단계에서 효율적인 성능 예측을 가능하게 합니다.

배경

S-Duct는 스텔스 항공기의 레이더 반사 단면적(RCS)을 줄이는 핵심 부품이지만, RCS 감소를 위한 복잡한 만곡 형상은 공력 성능 저하라는 상충되는 문제를 야기합니다. 덕트의 곡률로 인해 발생하는 이차 유동과 와류는 엔진으로 유입되는 공기의 전압력 손실과 유동 왜곡을 심화시킵니다. 이러한 현상은 엔진 추력 감소와 작동 불안정성을 유발하는 직접적인 원인이 됩니다.

문제점

S-Duct 내부의 복잡한 유동을 정확히 예측하기 위해서는 High-Fidelity 해석이 필요합니다. 그러나 기존 CPU 기반의 해석은 계산 비용이 매우 크고 단일 형상을 해석하는 데 수시간 이상이 소요되는 등 현실적인 제약이 많습니다. 이로 인해 항공기 개발 과정에서 다양한 형상 변수를 검토하거나 최적의 설계를 찾아내는데 어려움이 있었습니다.

해결 방안

최근 GPGPU 기술의 발전은 기존 CFD 해석의 높은 계산 비용 문제를 해결할 대안으로 주목받고 있습니다. 이에 따라 GPU 네이티브 CFD 솔버인 Flow360과 터보머시너리 해석에 널리 사용되는 CFX를 이용하여 S-Duct 내부의 복잡한 유동을 해석하고자 합니다. Flow360은 GPU 환경에 최적화되어 복잡한 유동 현상을 빠르고 효율적으로 모사할 수 있으며, 본 연구를 통해 Solver의 정확도를 검증하고자 합니다.

2. 해석 도메인 및 격자 생성

본 연구에서 사용한 모델은 ONERA에서 설계 및 실험을 수행한 S-Duct 형상을 기반으로 하며(그림 1), 유동을 안정적으로 유입시키는 벨마우스, 입구 덕트, S-Duct, 그리고 출구 덕트로 구성됩니다. GPU 메모리를 절감하고 계산 효율성을 높이기 위해 유동의 대칭성을 가정하여 전체 계산 영역의 절반에 대해서만 해석을 수행하였습니다.

격자는 S-Duct 내부 곡관부와 벽면 주위에 조밀하게 구성하여, 유동 박리 및 후류에서 발생하는 와류 구조와 압력 변동을 정밀하게 포착할 수 있도록 구성하였습니다(그림 2). 격자 의존성 평가를 통해 최종적으로 약 314만 개의 노드와 1,163만 개의 요소로 구성된 격자를 사용하였습니다. 자세한 형상 및 실험 구성에 대한 내용은 Delot et al.(2) 및 Aabi et al.(3) 등이 발표한 논문을 참고하여 주시기 바랍니다.

3. 해석결과

본 연구에서는 수치해석 기법의 타당성을 평가하기 위해 해석 결과를 실험 데이터와 비교하였습니다. 이때, 비교는 그림 3에 나타난 세 위치에서 측정된 압력 분포를 기준으로 수행되었습니다.

입구 경계층 프로파일

S-Duct 입구 유동 모사의 정확도를 확인하기 위해 경계층 프로파일을 실험 데이터와 비교하였다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, SST와 SA 난류 모델 모두 실험값과 잘 일치하였다. 이를 통해 본 해석에 사용된 격자와 수치 기법이 S-Duct 입구 경계층을 적절히 모사하고 있음을 알 수 있다.

덕트 내부 단면의 전압력 분포

S-Duct 내부 유동을 검증하기 위해 덕트 내 세 지점에서의 원주 방향 압력 분포를 실험값과 비교하였습니다(그림 5). 해석 결과는 모든 단면에서 실험과 유사한 경향을 보였으며, 특히 이차 유동의 영향으로 하단부(Φ=0°) 압력이 낮고 상단부(Φ=180°) 압력이 높은 패턴을 정확히 재현하고 있습니다. 이를 통해 Flow360이 S-Duct의 주요 유동 특성을 신뢰성 있게 모사함을 확인할 수 있습니다.

유동 방향 (Streamwise) 압력 분포

그림 6은 유동 방향 벽면 정압 분포를 세 지점(Φ=0°, 90°, 180°)에서 실험값과 비교한 결과를 나타냅니다. 모든 위치에서 해석 결과는 실험과 유사한 경향을 보였으며, 특히 첫 번째 굴곡부(X=200~400mm)에서의 급격한 압력 강하와 회복, 두 번째 굴곡부 이후의 압력 변화를 적절히 모사하고 있습니다. 이를 통해 Flow360이 곡률 변화에 따른 유동 가속·감속과 압력 변화를 신뢰성 있게 예측함을 확인할 수 있습니다.