[논문]곤충비행에서 갑작스런 추력발생의 공기역학적 원인 Part 1: 와류 정지 및 와류 짝 현상

이정상; 김진호; 김종암

doi:10.5139/jksas.2007.35.1.001

곤충비행에서 갑작스런 추력발생의 공기역학적 원인 Part 1: 와류 정지 및 와류 짝 현상
The Aerodynamic Origin of Abrupt Thrust Generation in Insect Flight (Part 1: Vortex Staying and Vortex Pairing Phenomena) 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.35 no.1, 2007년, pp.1 - 9

이정상 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 김진호 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) , 김종암 (서울대학교 기계항공공학부)

초록
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검정금파리 날개의 “8자 운동”에 의한 공기역학적 힘의 발생에 관해 수치해석을 수행하였다. 날개운동은 자유류가 있는 tethered flight 실험에서 관찰된 결과에서 인용하였다. 해석결과 양력은 downstroke 중일 때 주로 발생하였고 추력은 upstroke 끝에서 갑작스럽게 발생하였다. 본 연구에서는 양력과 추력 발생의 이러한 특성을 후류에서의 와류구조와 에어포일 주위의 압력장을 통해 물리적으로 이해하고자 하였다. 결과적으로 양력발생은 유효받음각의 증가에 따른 앞전와류와 관계있었으며, 추력발생은 유동장 형태의 측면에서 와류 짝(vortex pairing)현상과 압력장 측면에서 와류정지 현상으로 설명할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical simulation is conducted to investigate aerodynamic force generation mechanism for the "figure-of-eight" motion of Dipteran fly, Phormia-Regina. Wing trajectory is referred to experimental result, which was observed from the tethered flight under freestream condition. Numerical simulation shows that the lift is mainly generated during downstroke motion and the large amount of thrust is generated abruptly at the end of upstroke motion. In the present work, vortical structure in the wake and the pressure field around the airfoil are examined to understand the generation of lift and thrust. Consequently, the lift generation is related with the leading edge vortex which is developed by an effective angle of attack. And the thrust generation can be explained by vortex pairing in the flow field and by vortex staying in the pressure field.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

즉, 그림 6에 나타난 와류 짝현상이 실험에 의해 관찰될 때, 정량적으로 큰추력의 발생을 유추할 수는 있겠지만, 실제 추력을 만들어 내는 에어포일 표면의 압력과 유동장의 형태에 관해서는 어떤 정보도 주지 못한다. 본 연구에서는 전산유체역학의 장점을 이용하여 추력발생과 관계된 압력장이 어떤 방식으로 형성되는지를 살펴보았다.

가설 설정

그림 4-(a)는최대 양력이 발생하는 그림 3-(a)을 확대하여 앞전와류를 압력장과 속도벡터로 나타낸 것이고, 그림 4-(b)는 이때 시위에 따른 익형표면 압력분포를 보여준다. 그림 4-(a)의 앞전와류중심과 그림 4-(b) 의 suction 위치가 일치하며, upper 와 lower surface들의 벽면압력분포 차이로부터 앞전와류가 양력증가의 결정적 원인임을 보여주고있다.
[17] 에 의해 pitching운동을 하는 에어포일의 실험결과[18, 19]와 비교되어 검증되었다. 해석대상인 검정금파리의 chord 레이놀즈수의 크기가 IO? 정도이므로 전 유동을 층류로 가정하여 난류모델은 적용하지 않았다.

제안 방법

Nachtigall의 실험으로부터 관찰된 검정금파리 날개의8자 운동에 대한 비정상 유동장을 해석하였다. 해석결과 downstroke에서는 주로 양력이, upstroke 끝에서는 대단히 큰 추력이 갑작스럽게 발생하였다.
Part 1에서는 공기역학적 힘의 발생과 비정상유동장을 비교하여, 양력과 추력발생에 관계된 물리적 현상을 유동장의 형태로 이해하는데 주력하였다.
먼저 앞전와류의 효과를 살펴보기 위해 압력장과 표면압력분포를 관찰해 보았다. 그림 4-(a)는최대 양력이 발생하는 그림 3-(a)을 확대하여 앞전와류를 압력장과 속도벡터로 나타낸 것이고, 그림 4-(b)는 이때 시위에 따른 익형표면 압력분포를 보여준다.
벽면에서 첫 번째 격자점 간격이 5><10-3인 201X85 크기의 O-격자를 사용하였으며, 10주기동안 반복계산을 수행하였다. 그림 2는 무차원시간에 따른 공력계수의 변화를 보여준다.
발생하고 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 유동현상의 물리적인 특성과 공력계수와의 관계를 downstroke와 upstroke로 구별하여 고찰 하였다.
이 같은 압력차이가 발생되는 원인은 에어포일의 급격한 rotation으로 뒤쪽 유동은 상대적으로 압축되고 앞쪽은 팽창되어 나타나는 것으로 생각된다. 좀 더 자세한 고찰을 위해 표면 압력분포를 이용하였다.

이론/모형

지배 방정식은 2차원 비정 상 비 압축성 Navier- Stokes 방정식으로 "8자 운동을 모사하기 위해 동적격자 기법을 도입하였으며, 이때 격자의 운동속도를 고려하여 보존형식으로 나타내면 다음과 같다.
계수 값이다. 공간 차분 기법으로 Osher Upwind Scheme을 적용하였으며, MUSCL을 이용하여 3차의 공간정확도를 나타내도록 하였다. 시간 적분은 코드 적용이 간편하고 경제적인 Yoon과 Kwak의 LU-SGS 기법이 사용되었으며, 비정상 계산을 위하여 이중시간전진법 (dual time stepping)을 사용하여 2차의 시간정확도를 갖도록 하였다.
본 연구는 Nachtigall5]의 실험에서 얻어진 검정금파리 (PhomuX Regiw)의 날개운동을 2차원 비정상/비압축성, Navier-Stokes 방정식을 통해 해석하였다. Nachtigall의 실험은 엄밀한 의미에서 자유비행은 아니 지 만 자유류가 있는 상태 에 서의 tethered flight(곤충을 고정된 위치에 붙여놓고 자유류를 불어주어 날갯짓을 유도하는 방법) 를 관찰한 것이기 때문에 전진비행을 모사한 것으로 볼 수 있다.
7m의 자유류 앞에 검정금파리를 붙여놓고 초당 6400번의 고속촬영을 통해날개운동의 3차원 궤적을 얻어내었다[15]. 본 연구에서는 Nachtigall이 관찰한 결과를 Fourier 급수로 나타낸 식(3)을 운동 모델로 사용하였다.
비압축성 방정식은 속도장과 압력장이연결되어 있지 않으므로, 식(2)에 나타낸 pseudocompressibility 기법을 적용하여, 수치해를 구할수 있도록 하였다.
공간 차분 기법으로 Osher Upwind Scheme을 적용하였으며, MUSCL을 이용하여 3차의 공간정확도를 나타내도록 하였다. 시간 적분은 코드 적용이 간편하고 경제적인 Yoon과 Kwak의 LU-SGS 기법이 사용되었으며, 비정상 계산을 위하여 이중시간전진법 (dual time stepping)을 사용하여 2차의 시간정확도를 갖도록 하였다. 적용된 수치해법의 자세한 내용은 참고문헌 [16] 에 잘 나와 있다.
지배 방정식은 유한체적법에 근거하여 이산화되었다. 비압축성 방정식은 속도장과 압력장이연결되어 있지 않으므로, 식(2)에 나타낸 pseudocompressibility 기법을 적용하여, 수치해를 구할수 있도록 하였다.

성능/효과

결론적으로, 앞면과 뒷면의 압력분포로부터 앞면의 압력강하가 뒷면의 압력증가보다 좀더 강하게 이루어지고 있고 더군다나 와류의 정지로 인해 앞부분의 저압영역이 지속되고 있는 것이다. 이러한 와류의 거동은 한번 떨어져 나간 와류를 이용한다는 점에서 Dickinson et al.
여기서 음(-)의 항력계수 값은 추력계수를 의미하며, do- wnstroke와 upstroke영역을 각각 표시하였다. 계산결과 양력과 항력계수의 시간에 따른 변화는 매우 난잡한 양상을 보여주며, 순간적으로매우 큰 값(순간 최대양력계수; 47.52, 순간 최대추력계수; 64.66)을 나타내었다. 또 식(4)를 이용하면 양력과 추력계수의 시간평균값이 9.
유동장의 분석으로부터 앞전와류는 양력증가와 관련되어 있으며 이는 유효받음각의 증가에 따른 것으로 보였다. 추력발생은 u- pstroke 끝에서 발생되는 뒷전와류가 지대한 역할을 하는 것으로 나타났다. 뒷전와류는 에어포일 앞면에서 형성된 저압 영역을 지속적으로 유지시켜 압력 차이에 의한 추력을 유도한다.

후속연구

검정금파리의 tethered flight 실험에서 유동가시화를 적용한다면 3차원 날개의 스팬방향 단면 유동장에서 와류 짝 현상을 관찰할 수 있을것이다. 하지만 살아있는 곤충을 대상으로 하는 tethered flight에서는 6자유도의 힘과 모멘트를측정하기가 상당히 어렵기 때문에 가시화로 나타난 유동장의 형태와 힘의 발생을 연관 짓기란 쉬운 일이 아니다[8].
하지만 이들의 결과들은 제자리비행에 관한 것이므로 전진비행에서도 유용한지는 추가적인 연구를 수행해야만 알 수 있을 것이다. 따라서 향후 3차원 tethered flight에대한 전산해석을 수행하여 앞전와류의 안정적 부착이 가능한지, 또 가능하다면 그 메커니즘은 무엇인지에 대한 추가적인 연구를 수행할 계획이다.
따라서 이러한 연구결과들을 참고로 한다면 본연구의 2차원 해석도 그 타당성을 크게 훼손 받지 않는 것처럼 보인다. 하지만 이들의 결과들은 제자리비행에 관한 것이므로 전진비행에서도 유용한지는 추가적인 연구를 수행해야만 알 수 있을 것이다. 따라서 향후 3차원 tethered flight에대한 전산해석을 수행하여 앞전와류의 안정적 부착이 가능한지, 또 가능하다면 그 메커니즘은 무엇인지에 대한 추가적인 연구를 수행할 계획이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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