Fluent Aero Parameter Search에 대해 알아보자

외부유동장의 공력해석을 위해 특화된 Ansys Fluent® Aero Workflow (이하 Fluent Aero)는 다양한 해석조건 (Altitude, Mach No., Angle of Attack, Angle of Sideslip 등)을 간단한 입력작업으로 6분력을 예측하여 광범위한 공력DB를 효율적으로 생성할 수 있다. 현재 Ansys Fluent 2025R2 버전의 베타 (Beta) 기능으로 출시된 Parameter Search는 Fluent Aero를 더욱 효율적으로 활용할 수 있게 해주는 기능으로써 공력해석사례를 통해 소개하고자 한다.

Introduction

외부유동장 공력해석사례 중에 특히 항공기와 같은 비행체의 경우에는 전기체 양력계수  설계값을 갖는 받음각을 예측하거나 항공기 주익이 실속(Stall)되는 받음각 (Angle of Attack)과  양력계수값을 예측할 필요가 있다. 앞에 기술된 양력계수는 Target Lift Coefficient (C_{L_target}), 뒤에 기술된 양력계수값은 Maximum Lift Coefficient (C_{L_max})이라 정의하고 이를 Fluent Aero를 활용하여 예측하는 방법을 기술하고자 한다.

■ 해석사례

본문에 사용하고자 하는 사례는 ONERA M6 Wing 형상으로써 아래 그림과 같이 반구형태의 해석도메인과 해석형상으로 구성되어 있다.
 

그림 1 ONERA M6 Wing 형상

해석격자는 약 11만개의 Polyhedral Mesh로 구성되어 있으며 반구형태의 Pressure Far Field B/C와 Symmetry B/C가 적용되고 6분력이 계산되는 해석형상은 Wall B/C이 적용된다.

■ Target Lift Coefficient (C_{L_target}) 예측하기

Fluent Aero를 실행하기 위해서는 아래 그림에서 볼 수 있듯이 Capability Level 항목에 CFD Enterprise를 선택한 후에 우측 트리메뉴에서 Aero를 선택한 후에 Fluent 실행한다.
 

그림 2 Fluent Aero 실행방법

자세한 Fluent Aero 사용방법은 ANZINE 70호에 연재되어 있는 “Ansys 2024R1 Fluent Aero 해석하기” 원고에 자세히 기술되어 있으므로 본문에서는 생략하고 주제에 맞게 Target Lift Coefficient를 예측하기 위한 베타기능에 대한 내용만 기술하도록 하겠다. 관련된 베타기능을 활성하기 위해서는 아래 그림과 같이 “File → Preference → Aero”에 있는 “Beta Feature”를 체크한다.
 

그림 3 Fluent Aero Beta 기능 활성화

베타기능이 활성화된 이후에 아래 그림과 같이 “Setup → Parameter Search” 기능을 활성화한다.
 

그림 4 Fluent Aero Parameter Search 기능 활성화

공력해석은 2개를 수행하였는데 Case#01은 고도 0m, 비행속도(Mach No.) 0.25에서 양력계수(C_{L_target})값을 0.25, Case#02는 고도 5 km, 비행속도 (Mach No.) 0.84에서 양력계수(C_{L_target})값을 0.1로 설정하여 입력된 양력계수값을 만족하는 받음각(Angle of Attack)을 찾기 위해 아래 그림과 같이 “Setup → Parameter Search → Properties → Objective”에 “Seek Target” 으로 설정한다.
양력계수의 오차범위는 0.0001로 설정하고 받음각은 초기값을 2도, 증가량은 0.5도로 적용하고 최소받음각 0도에서 최대받음각 12도 사이에서 설정된 양력계수값을 만족시키는 받음각을 예측하기 위한 해석을 자동으로 수행하게 된다.
 

그림 5 Seek Target 설정

Case#01의 경우에는 양력계수 0.25값을 찾기 위해 아래 그림과 같이 해석을 총 3회를 실시하고 종료된다.

그림 6 Residual Convergence - Case#01

 
그림 7 Lift Coefficient Convergence - Case#01

입력된 C_{L_target} = 0.25를 만족시키는 받음각은 아래 그림과 같이 수렴하여 3.872427도를 예측하였고 마하수분포 결과는 아래 그림과 같다.
 

그림 8 AoA Convergence (3.872427 deg)

 
그림 9 Mach No. Contour – Case#01

Case#02도 Case#01과 동일한 방법으로 해석을 총 4회 수행하여 입력된 C_{L_target} = 0.1을 만족시키는 받음각은 1.147227도를 예측하였다.
 

그림 10 Residual Convergence - Case#02
 
그림 11 Lift Coefficient Convergence - Case#02
 
그림 12 AoA Convergence (1.147227 deg)
 
그림 13 Mach No. Contour – Case#02

■  Maximum Lift Coefficient (C_{L_max}) 예측하기

최대양력계수값과 최대받음각을 예측하기 위한 Parameter Search 기능을 이용한 해석조건은 고도 0m, 비행속도(Mach No.) 0.3을 적용하였고 아래 그림과 같이 “Setup → Parameter Search → Properties → Objective”에 “Seek Maximum” 으로 설정한다.
 

그림 14 Seek Maximum 설정

양력계수의 오차범위는 0.0001로 설정하고 최소받음각 0도에서 최대받음각 30도 사이에서 최대양력계수값을 오차범위 0.1도로 만족시키는 최대받음각을 예측하기 위한 해석을 자동으로 수행하게 된다.
최대양력계수값을 찾기 위해 아래 그림과 같이 해석을 총 9회를 실시하고 종료되며 최대받음각 18.329483도로 예측되었고 이때 발생되는 최대양력계수 0.95414로 예측되었다.
 

그림 15 Residual Convergence

 
그림 16 Lift Coefficient Convergence

 
그림 17 AoA Convergence (18.329483 deg)

다음 그림은 받음각이 증감되면 수렴되는 과정에서 Mach No. Contour를 보여주고 있다.

그림 18 Mach No. Contour to Seeking C_{L_max}

맺음말

Fluent Aero는 반복적으로 해석을 수행해야 하는 공력해석을 사용자가 효율적으로 수행할 수 있으며, 본문에서 소개한 Parameter Search기능을 이용하면 균일한 받음각 변경시키면서 해석한 결과를 수작업으로 보간하여 예측해야하는 Target Lift Coefficient (C_{L_max}), Maximum Lift Coefficient (C_{L_max}), 최대받음각 등을 간단한 입력작업을 통해 자동으로 예측할 수 있다. 이 기능을 활용하면 더욱 효율적인 해석작업을 수행할 수 있을 것으로 기대된다.