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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김학봉
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수5
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새, 박쥐나 곤충과 같은 생물은 날개의 움직이는 행위인 날개짓을 통해서 발생하는 힘을 이용하여 비행을 한다. 날개짓을 이용한 비행은 그들이 비행하는 저레이놀즈 유동영역에서 높은 효율을 보이며, 특수한 비행이 가능하기 때문에 주목받고 있다. 날개짓은 각 종에 따라서 차이점이 있는데, 새나 박쥐의 날개 형상과 날개짓은 곤충의 그것보다 복잡해 실제 조류를 이용한 관찰에 초점이 맞춰져 있다.
조류의 날개짓을 공학적으로 이용하기 위해서는 날개짓의 움직임에 따라서 발생되는 공기력의 크기와 주위 유동 변화에 대한 연구가 필요하다. 이전의 연구를 참고하여 본 연구에서는 날개를 평판으로 가정하였고, 날개구조를 이관절모델을 통해 나타내어 전체 날개를 안쪽날개와 바깥날개로 분리하였다. 그 후 날개짓을 두 날개의 플래핑 운동의 조합으로 구성하였다. 그리고 결과를 도출하기 위해서 날개의 두께와 유동의 점성효과를 무시하는 포텐셜이론을 기초로 하는 비정상 와류격자법을 이용하였다.
두 가지의 플래핑 운동의 최대각도 크기와 날개짓 주파수와 전진비행속도의 비인 감쇠주파수를 변화시켜서 다양한 날개짓을 표현하고 날개짓하는 날개에서 발생하는 공기력의 크기를 도출하였다. 이 때, 안쪽날개의 최대플래핑각은 10° ~ 30° 사이, 바깥날개의 최대플래핑각은 0° ~ 60°사이에서 10°간격으로 변화시켰고, 하향날개짓과 상향날개짓의 시간비율을 안쪽날개는 5 : 5, 바깥날개는 7 : 3으로 결정하였다. 그리고 감쇠주파수는 0.1에서 0.3사이에서 0.1간격으로 변화시켰다.
날개짓에 의해서 발생하는 양력은 하향날개짓 단계에서 최대값을, 상향날개짓 단계에서 최소값을 나타낸다. 안쪽날개 최대플래핑각의 증가와 감쇠주파수의 증가는 양력계수의 최대값을 증가시키고, 최소값은 감소시킨다. 그리고 바깥날개 최대플래핑각의 증가는 안쪽날개와 동일하게 양력계수의 최대값을 증가시키고, 최소값을 감소시키며, 추가적으로 양력계수가 양에서 음으로 반전되는 위치를 지연시켜, 양력계수가 양의 값을 가지는 시간을 늘려준다. 이 결과는 바깥날개의 시간비율과 비대칭 운동에 의해서 나타나는 영향이다.
안쪽날개 운동은 바깥날개 운동이 없는 경우에는 어떤 감쇠주파수 값에서도 평균양력계수에는 영향을 끼치지 않는다. 하지만, 바깥날개 최대플래핑각이 10°이상일 때는 세 변수가 상호작용하여 양력계수를 변화시키고, 이는 평균양력계수의 변화에 의해 나타난다. 안쪽날개 최대플래핑각이 10°, 20°일 때는 감쇠주파수와 바깥날개 최대플래핑각이 증가하면 평균양력계수가 증가한다. 그리고 두 변수가 증가하면 증가할수록 평균양력의 증가량 또한 커진다. 안쪽날개 최대플래핑각이 30°일 때는 바깥날개 최대플래핑각이 10°일 때 평균양력계수가 최소값을 가지며, 감쇠주파수가 커질 때 평균양력계수는 증가한다.
안쪽날개 운동과 감쇠주파수의 증가는 항력계수의 최소값을 감소시킨다. 그리고 바깥날개 운동 역시 항력계수의 최소값을 감소시키고, 안쪽날개 운동과 상호작용하여 상향날개짓 단계에서의 항력계수를 크게 변화시킨다. 안쪽날개 최대플래핑각이 10°일 때는 바깥날개 최대플래핑각이 커지면 상향날개짓 단계에서의 항력계수가 감소하나, 30°일 때는 반대로 항력계수가 증가한다. 하지만, 바깥날개 운동에 의해서 변하는 평균항력계수의 크기는 안쪽날개 운동과 감쇠주파수의 변화에 의해서 변하는 평균항력계수의 크기에 비해 미미하다. 평균항력계수는 안쪽날개 최대플래핑각의 증가와 감쇠주파수의 증가에 의해서만 감소하는 경향을 보인다.
본 연구는 날개 중간지점에서 추가적인 플래핑 운동이 있는 날개짓을 하는 날개에서 발생하는 공기력의 변화를 나타내었으며, 날개의 최대플래핑각과 감쇠주파수, 세 변수가 상호작용한다는 결과를 도출하였다. 이 결과는 비행에 적절한 날개짓 형태를 결정하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
조류의 날개짓을 공학적으로 이용하기 위해서는 날개짓의 움직임에 따라서 발생되는 공기력의 크기와 주위 유동 변화에 대한 연구가 필요하다. 이전의 연구를 참고하여 본 연구에서는 날개를 평판으로 가정하였고, 날개구조를 이관절모델을 통해 나타내어 전체 날개를 안쪽날개와 바깥날개로 분리하였다. 그 후 날개짓을 두 날개의 플래핑 운동의 조합으로 구성하였다. 그리고 결과를 도출하기 위해서 날개의 두께와 유동의 점성효과를 무시하는 포텐셜이론을 기초로 하는 비정상 와류격자법을 이용하였다.
두 가지의 플래핑 운동의 최대각도 크기와 날개짓 주파수와 전진비행속도의 비인 감쇠주파수를 변화시켜서 다양한 날개짓을 표현하고 날개짓하는 날개에서 발생하는 공기력의 크기를 도출하였다. 이 때, 안쪽날개의 최대플래핑각은 10° ~ 30° 사이, 바깥날개의 최대플래핑각은 0° ~ 60°사이에서 10°간격으로 변화시켰고, 하향날개짓과 상향날개짓의 시간비율을 안쪽날개는 5 : 5, 바깥날개는 7 : 3으로 결정하였다. 그리고 감쇠주파수는 0.1에서 0.3사이에서 0.1간격으로 변화시켰다.
날개짓에 의해서 발생하는 양력은 하향날개짓 단계에서 최대값을, 상향날개짓 단계에서 최소값을 나타낸다. 안쪽날개 최대플래핑각의 증가와 감쇠주파수의 증가는 양력계수의 최대값을 증가시키고, 최소값은 감소시킨다. 그리고 바깥날개 최대플래핑각의 증가는 안쪽날개와 동일하게 양력계수의 최대값을 증가시키고, 최소값을 감소시키며, 추가적으로 양력계수가 양에서 음으로 반전되는 위치를 지연시켜, 양력계수가 양의 값을 가지는 시간을 늘려준다. 이 결과는 바깥날개의 시간비율과 비대칭 운동에 의해서 나타나는 영향이다.
안쪽날개 운동은 바깥날개 운동이 없는 경우에는 어떤 감쇠주파수 값에서도 평균양력계수에는 영향을 끼치지 않는다. 하지만, 바깥날개 최대플래핑각이 10°이상일 때는 세 변수가 상호작용하여 양력계수를 변화시키고, 이는 평균양력계수의 변화에 의해 나타난다. 안쪽날개 최대플래핑각이 10°, 20°일 때는 감쇠주파수와 바깥날개 최대플래핑각이 증가하면 평균양력계수가 증가한다. 그리고 두 변수가 증가하면 증가할수록 평균양력의 증가량 또한 커진다. 안쪽날개 최대플래핑각이 30°일 때는 바깥날개 최대플래핑각이 10°일 때 평균양력계수가 최소값을 가지며, 감쇠주파수가 커질 때 평균양력계수는 증가한다.
안쪽날개 운동과 감쇠주파수의 증가는 항력계수의 최소값을 감소시킨다. 그리고 바깥날개 운동 역시 항력계수의 최소값을 감소시키고, 안쪽날개 운동과 상호작용하여 상향날개짓 단계에서의 항력계수를 크게 변화시킨다. 안쪽날개 최대플래핑각이 10°일 때는 바깥날개 최대플래핑각이 커지면 상향날개짓 단계에서의 항력계수가 감소하나, 30°일 때는 반대로 항력계수가 증가한다. 하지만, 바깥날개 운동에 의해서 변하는 평균항력계수의 크기는 안쪽날개 운동과 감쇠주파수의 변화에 의해서 변하는 평균항력계수의 크기에 비해 미미하다. 평균항력계수는 안쪽날개 최대플래핑각의 증가와 감쇠주파수의 증가에 의해서만 감소하는 경향을 보인다.
본 연구는 날개 중간지점에서 추가적인 플래핑 운동이 있는 날개짓을 하는 날개에서 발생하는 공기력의 변화를 나타내었으며, 날개의 최대플래핑각과 감쇠주파수, 세 변수가 상호작용한다는 결과를 도출하였다. 이 결과는 비행에 적절한 날개짓 형태를 결정하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
목차
요 약 ············································································································································· ⅰ목 차 ············································································································································ ⅲ그림목록 ············································································································································ ⅴ기호목록 ············································································································································ ⅹ제1장 서 론 ·································································································································· 11.1 연구배경 및 기존의 연구동향 ··················································································· 11.2 연구목적 및 방법 ············································································································ 5제2장 수치해석법 및 날개짓 운동 ······················································································· 72.1 비정상 와류격자법 ·········································································································· 72.1.1. 지배방정식과 일반해 ····························································································· 72.1.2 날개 이산화 및 특이점 분포 ············································································· 112.1.3 와환 강도 계산 ········································································································· 122.1.4 공력계수 계산 ··········································································································· 152.1.5 뒷전와류 형상 모델링 ··························································································· 172.2 날개 형상 및 날개짓 방법 ·························································································· 192.2.1 이관절 모델 ················································································································ 192.2.2 날개 평면형상 ··········································································································· 202.2.3 날개짓 운동 정의 ···································································································· 21제3장 연구 범위 ··························································································································· 233.1 비행범위 설정 ··················································································································· 233.2 날개짓 각도 범위 설정 ································································································· 25제4장 해석 결과 ··························································································································· 284.1. 수치해석 프로그램 검증 ····························································································· 284.2 한 주기 동안 날개 최대플래핑각에 따른 공력계수의 변화 ······················· 30
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