비정상 공기력 측정이 두 쌍의 날개를 갖는 잠자리 유형 모델의 위상차에 따른 효과를 조사하기 위하여 수행되었다. 잠자리 유형 모델의 플런징 운동에 의하여 발생된 공기역학적인 힘을 측정하기 위하여 로드셀을 사용하였다. 본 잠자리 유형 모델은 실제 잠자리와 동역학적으로 상사하며, 앞뒤날개는 각각 0°의 10°의 붙임각(incidence angle)을 가지고 있다. 다른 실험 조건은 다음과 같다. 자유류의 속도는 1.6 m/sec이고, 이와 관련된 시위 레이놀즈수 2.88×103이며, 앞뒤날개의 위상차는 각각 0°, 90°, 180°, 그리고 270°이다. 잠자리 유형 날개의 한 주기 동안 공기역학적 계수의 변화가 제시되었다. 연구 결과는 잠자리 유형 모델의 양력은 앞뒤날개가 downstroke 운동을 수행할 때 발생되며, 뒷날개가 downstroke 운동과정을 수행하면 양력 발생과 함께 항력도 발생한다는 것을 보여준다.
비정상 공기력 측정이 두 쌍의 날개를 갖는 잠자리 유형 모델의 위상차에 따른 효과를 조사하기 위하여 수행되었다. 잠자리 유형 모델의 플런징 운동에 의하여 발생된 공기역학적인 힘을 측정하기 위하여 로드셀을 사용하였다. 본 잠자리 유형 모델은 실제 잠자리와 동역학적으로 상사하며, 앞뒤날개는 각각 0°의 10°의 붙임각(incidence angle)을 가지고 있다. 다른 실험 조건은 다음과 같다. 자유류의 속도는 1.6 m/sec이고, 이와 관련된 시위 레이놀즈수 2.88×103이며, 앞뒤날개의 위상차는 각각 0°, 90°, 180°, 그리고 270°이다. 잠자리 유형 날개의 한 주기 동안 공기역학적 계수의 변화가 제시되었다. 연구 결과는 잠자리 유형 모델의 양력은 앞뒤날개가 downstroke 운동을 수행할 때 발생되며, 뒷날개가 downstroke 운동과정을 수행하면 양력 발생과 함께 항력도 발생한다는 것을 보여준다.
Unsteady aerodynamic force measurements were carried out in order to investigate the effects of phase difference of a dragonfly-type model with two pairs of wing. A load-cell was employed to measure the aerodynamic force generated by a plunging motion of the dragonfly-type model. The dragonfly-type ...
Unsteady aerodynamic force measurements were carried out in order to investigate the effects of phase difference of a dragonfly-type model with two pairs of wing. A load-cell was employed to measure the aerodynamic force generated by a plunging motion of the dragonfly-type model. The dragonfly-type model has a dynamic similarity with real one, and incidence angles of fore- and hind-wing are 0° and 10°, respectively. Other experimental conditions are as follows: The freestream velocity was 1.6 m/sec and corresponding chord Reynolds number was 2.88×103, and phase differences of fore- and hind-wing were 0°, 90°, 180° and 270°. The variation of aerodynamic coefficients during one cycle of the wing motion is presented. Results show that the lift is generated during the downstroke motion and the drag generated during the hind-wing‘s downstroke motion with the lift generation.
Unsteady aerodynamic force measurements were carried out in order to investigate the effects of phase difference of a dragonfly-type model with two pairs of wing. A load-cell was employed to measure the aerodynamic force generated by a plunging motion of the dragonfly-type model. The dragonfly-type model has a dynamic similarity with real one, and incidence angles of fore- and hind-wing are 0° and 10°, respectively. Other experimental conditions are as follows: The freestream velocity was 1.6 m/sec and corresponding chord Reynolds number was 2.88×103, and phase differences of fore- and hind-wing were 0°, 90°, 180° and 270°. The variation of aerodynamic coefficients during one cycle of the wing motion is presented. Results show that the lift is generated during the downstroke motion and the drag generated during the hind-wing‘s downstroke motion with the lift generation.
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문제 정의
Alexander [6]는 잠자리의 앞. 뒤날개에 대한 위상차에 따라 비행 상태가 다른 것에 대해서 연구를 수행하였다. 급격한 방향전환이나 빠른 속도로 비행을 하는 경우에는 앞.
제안 방법
01m이다. 날개의 앞전부분과 앞전에서 뒷전 방향으로 1mm 카본 봉을 사용하여 뼈대를 유지하였으며, 날개 표면은 알루미늄 증착 필름을 사용하였다. 날개는 실제로 유연성이있으며, 유연성으로 인한 양력 또는 추력이 증가하는 효과가 발생하게 된다.
12까지 앞 . 뒤 날개의 위상차를 0°, 90°, 180°, 270로 변경하여 측정한 양력 및 추력 데이터에 대하여 결과를 분석하였다. 이러한 데이터를 한 주기 동안의 양력계수 값으로 적분하여 전체크기를 조사하였으며, 그 결과 위상차 0°인 경우 0.
모델의 앞. 뒤날개 위상차에 따른 효과를 조사하기 위하여 공력측정 연구를 수행하였다.
이처럼 한 쌍 날개를 갖는 초파리와는 달리 두 쌍 날개를 갖는 잠자리는 앞 . 뒤날개의 움직임에 따른 유동특성을 이용하기 위해 날개의 위 상차를 바꾸어 가며 비행을 수행한다.
88X103에서 두 쌍 날개를 갖는 잠자리 유형 모델에 대하여 앞. 뒤날개의 위상차를 0°, 90°, 180°, 270로 바꾸어 가며, 위상차 변화에 따른 공력특성을 조사하였다.
뒤날개의 위상차를 변화시키지 않고 일정한 유속에서 앞. 뒤날개의 위상차만을 변경하여 실험을 수행하였다. 따라서 본 연구는 실제 잠자리의 경우와 동일하다고 단정 짓기 어려우나, 향후 이에 관한 연구를 수행하는데 있어 기초적인 데이터로 활용될 수 있다고 판단된다.
024의 값을 가지며, 잠자리가 앞 . 뒤날개의 위상차에 따라 양력 크기를 조절한다는 것을 정량적으로 조사하였다. 그리고 각각의 위상차에 대한 양력계수는 위상차 90인 경우 양력이 크게 발생하게 된다.
따라서 본 연구에서는 실제 잠자리처럼 뒷날개의 면적이 더 크고 앞날개는 0°, 뒷날개는 10° 의 붙임각을 갖는 두 쌍의 날개를 갖는 잠자리 유형 모델의 앞. 뒤날개 위상차에 따른 효과를 조사하기 위하여 공력측정 연구를 수행하였다.
풍동 시험부 안에 장착된 잠자리 유형 모델은 실제 잠자리 크기를 약 3배 정도의 일정한 비율로 확대하였으며, 앞날개와 뒷날개의 붙임각도 실제 잠자리와 마찬가지로 유동 방향에 대하여 0°, 10°로 장착하여 기하학적 상사 성을 갖도록 하였다. 또한 본 실험 모델은 실제 잠자리의 레이놀즈 범주(2.0x103~8.0x103)내에서 실험을 수행함으로써 동역학적 상사성을 유지시켰다. 본 실험을 수행한 자유흐름속도는 1.
99% 진공상태를 유지할 수 있다. 본 연구는 이러한 진공챔버 속에서 관성력 측정실험을 수행하였다. Fig.
1m/sec 이다. 풍동 시험부 안에 장착된 잠자리 유형 모델은 실제 잠자리 크기를 약 3배 정도의 일정한 비율로 확대하였으며, 앞날개와 뒷날개의 붙임각도 실제 잠자리와 마찬가지로 유동 방향에 대하여 0°, 10°로 장착하여 기하학적 상사 성을 갖도록 하였다. 또한 본 실험 모델은 실제 잠자리의 레이놀즈 범주(2.
대상 데이터
8은 진공 챔버와 풍동에서 얻은 데이터의 앙상블 평균(ensemble average)을 보여주는 그래프이다. 그래프에서 데이터의 개수가 95회 이상부터 수렴하는 것을 볼 수 있으며, 본 연구에서 사용된 데이터는 95회 앙상블 평균값을 사용하였다.
그들은 앞. 뒤날개의 위상차가 0인 경우, 날개의 downstroke운동 과정에서 양력이 증가하고 날개의 upstroke 운동과정에서 양력이 감소하는 데이터를 획득하였다. 그들이 발표한 데이터는 Fig.
관성력을 제거하였다. 본 연구에서 사용된 진공챔버는 한국항공대학교 응용공기역학 연구실에서 자체 설계하여 외주 제작한 장비로 99.99% 진공상태를 유지할 수 있다. 본 연구는 이러한 진공챔버 속에서 관성력 측정실험을 수행하였다.
성능/효과
뒤날개의 위상차에 따라 양력 크기를 조절하여 비행할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. 또한 본 연구와 같이 날개가 유연성이 있을 뿐만 아니라 붙임각이 있는 경우 단순히 상하 운동만을 수행하더라도 실제 한주기 동안 발생된 양력 성분은 양(비의 값으로 실제 양력이 발생하게 된다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서와 같은 잠자리 유형 날개는 자유흐름속도가 존재하고, 구동축을 중심으로 상하운동을 수행하는 경우 downstroke 운동중일 때 양력이 크게 발생한다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한 한주기 동안 발생한 양력계수는 앞 .
이러한 결과는 Fejtek 와 Nehera의 연구 결과[1]와 상당히 흡사하다. 붙임각이 없는 날개에서 upstroke 운동과 downstroke 운동과정에서 발생되어지는 양력 성분이 상하 대칭적으로 발생한다는 사실을 알 수가 있었다. 그러나 실제 잠자리는 앞날개는 붙임 각이 없는 반면에 뒷날개는 약 5~10의 붙임 각을 갖고 있다.
그리고 각각의 위상차에 대한 양력계수는 위상차 90인 경우 양력이 크게 발생하게 된다. 이외에도 뒷날개의 붙임각으로 인해 양력성분의 벡터 분해로 인한 항력성분이 발생하며, 양력이 증가함에 따라 항력도 증가하는 것을 알 수 있었다.
후속연구
뒤날개의 위상차만을 변경하여 실험을 수행하였다. 따라서 본 연구는 실제 잠자리의 경우와 동일하다고 단정 짓기 어려우나, 향후 이에 관한 연구를 수행하는데 있어 기초적인 데이터로 활용될 수 있다고 판단된다. Fig.
그들은 상기와 같은 결과를 날개의 유연성의 효과로 추측하였음에도 불구하고 유연성 정도는 측정하지 않았다. 본 연구에서도 날개의 유연성 정도는 측정하지 않았으며, 향후 연구를 수행해야 할 항목으로 생각된다.
향후 잠자리 유형 모델에 관한 연구로 날개의 유연성 정도뿐만 아니라 피칭운동이 포함된 플래핑 운동을 수행하는 경우에 발생하는 공력 특성에 대하여 조사하여야 한다.
참고문헌 (10)
Fejtek, I. and Nehera, L 'Experimental study of flapping wing lift and propulsion', Journal of Aeronautical, Vol. 84, 1980, pp. 28-33
Dickinson, M. H. and Gotz, K. D., 'Unsteady aerodynamic performance of model wings at low Reynolds number', Journal of Experimental Biology, Vol. 174, 1993, pp. 45-64
Willmott, A. P., Ellington, C. P. and Thomas, A. L. R, 'Flow visualization and unsteady aerodynamics in the flight of the hawkmoth, Manduca sexta', Philosophical Transaction of the Royal Society Biological Sciences London, Vol. 352, 1997, pp. 303-316
Van den berg, C. and Ellington, C. P., 'The three dimensional leading-edge vortex of a 'hovering' model hawkmoth', Phil. Trans. R. Soc. Land., Vol. 352, 1997, pp. 329-340
Liu, H, Ellington, C. P., Kawachi, K., Van den berg, C. and Willmott, A. P., 'A computational fluid dynamic study of hawkmoth hovering', Journal of Experimental Biology, Vol. 201, 1998, pp. 461-477
Alexander, D. E.,'Studies on Flight Control and Aerodynamics in Dragonflies', Ph. D. Dissertation, Duke University, Durham, NC, 1982
Kim, H. S., Kim, S. H, Chang, J. W., 'Visualization Study on the Phase Difference of a Dragonfly-type Wing', Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 8, No.4, 2004, pp. 43-54
Kim, S. H., Chang, J. W., 'Unsteady Lift measurements of the Dragonfly-type Wing', Journal of the Korean Society for Aeronautical Science and Flight Operation, Vol. 14, No.2, 2006, pp. 1-8
Singh, B., Ramasamy, M., Chopra, I. and Leishman, J. G., 'Insect-based flapping wings for micro hovering air vehicle: experimental investigations,' American helicopter society international specialists meeting, Arizona, Jan. 18-20, 2005
Kim, S. H, Chang, J. W., 'Visualization Study on a Reduced Frequency of a Dragonfly-type Wing,' Journal of the Korean Society of Visualization, Vol. 2, No.2, 2004, pp. 58-96
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