[논문]곤충비행에서 갑작스러운 추력발생의 공기 역학적 원인 Part 2: 공기역학적 주요 변수에 대한 연구

이정상; 김진호; 김종암

doi:10.5139/jksas.2007.35.1.010

곤충비행에서 갑작스러운 추력발생의 공기 역학적 원인 Part 2: 공기역학적 주요 변수에 대한 연구
The Aerodynamic Origin of Abrupt Thrust Generation in Insect Flight (Part 2: Study on Primary Aerodynamic Parameters) 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.35 no.1, 2007년, pp.10 - 17

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

초록
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Part 1에서 수행된 검정금파리의 “8자 운동”에 대한 해석결과는 와류들이 양력과 추력발생에 중요한 역할을 하는 것으로 나타났다. 곤충날개에서 발생되는 공기역학적 힘은 레이놀즈수와 같은 공기역학적 요소와 더불어 진동수, 운동진폭, 운동성분 등과 같은 운동학적적 요소들 또 날개의 형태 및 개수등과 같은 형태학적 요소들에 따를 것으로 생각된다. 본 연구에서는 레이놀즈수, 진동수 그리고 운동성분에 따른 양력과 추력발생을 고찰함으로써 이들이 공기역학적으로 어떤 영향을 미치는가를 조사하였다. 이로써 part 1의 결과를 물리적으로 좀 더 상세하게 설명할 수 있는 근거를 찾고자 하였다. 해석결과 “8자 운동”을 구성하는 운동성분 중 회전운동이 추력발생에 지배적인 역할을 하고 있었으며, 또한 추력발생은 반시계 방향의 회전순환과 깊은 관련이 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical results from the "figure-of-eight" motion of Phormia-Regina in Part 1 indicate that vortical structure and vortex dynamics do play a critical role in lift and thrust generation. The aerodynamic force generation of insects' wing could be governed by aerodynamic parameters such as Reynolds number; kinematic parameters such as frequency, amplitude, and component of the figure of eight motion; and morphological parameters such as wing shape and the number of wing. In the present work, the effects of Reynolds number, reduced frequency and motion component are investigated in detail to clarify aerodynamic characteristics of insect wing. Through numerical results and their physical interpretation, the mechanism of aerodynamic force generation is presented more clearly. Rotation turns out to be the most important component in thrust generation and subsequent counterclockwise rotational circulation is closely related with thrust generation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

검정금파리의 "8자 운동''에서 생성되는 양력과 추력 발생 원리를 물리적으로 좀 더 자세하게 이해할 수 있도록 파라메트릭 연구를 수행하였다. 레이놀즈수에 관해서는 특정 레이놀즈수 이상에서 양력이나 추력의 큰 증가는 없었다.
구성된다. 각각의 운동성분이 양력과 추력발생에 어떤 역할을 하는지를 알아보았다. 그림 4는 rotation만으로 해석한 결과와 "8자 운동” 해석에서 얻어진 양력과 추력계수의 시간적 변화를 비교한 것이다.
여기에 는 레 이 놀즈수와 같은 공기역 학적 요소와 더불어 진동수, 운동진폭, 운동성분 등과 같은 운동학적적 요소들 또 날개의 형태 및 개수 유연성 등 형태학적 요소들이 있을 것으로 생각된다[5]. 그러나 이러한 모든 경우들에 대한 연구는 상당히 방대하므로 본 연구에서는 레이놀즈수, 진동수, 그리고 운동성분에 대한 영향을 고찰하도록 하였다. 제자리비행에 관한 파라메트릭 연구는 여 러 연구자들에 의해 수행한바 있다.
레이놀즈수에 관해서는 특정 레이놀즈수 이상에서 양력이나 추력의 큰 증가는 없었다. 추력의 발생에 있어 rotation의 영향이 매우 크다는 점을 밝혀내었고, 에어포일의 각속도는 회전순환과 관계되므로 이에 대해 고찰해 보았다. 추력 발생은 반시계방향의 회전순환과 밀접한 연관성을 나타내었고 이는 양력발생에 관여하는 순환의 방향과 반대이기 때문에 음(-)의 양력을 발생시키는 요인이 되었다.

가설 설정

먼저 그림 7-(a)에서 양력계수와 각속도의 패턴을 비교해 보면, upstroke 끝을 제외하고 전반적으로 일치하지 않는다. 그러나 그림 7-(b)의 추력계수와 각속도의 패턴은 매우 비슷함을 알 수 있다. 따라서 추력의 발생은 회전순환과 밀접한 관계가 있을 것으로 판단된다.

제안 방법

Part 2에서는 앞선 part 1의 결과를 바탕으로 양력과 추력의 발생에 관계된 메커니즘을 물리적으로 좀 더 명확하게 포착하기 위해 파라 메트릭연구를 수행하였다. 곤충날개에서 발생되는 공기역학적 힘은 많은 변수들에 지배될 것이다.
Rotation 이외에 translation과 lagging 운동이 공력 특성에 미치는 영향을 알아보기 위해 〃8자 운동〃에서 rotation만 제거한 후 계산을 수행하였다. 해석 시 k=1.
Part 1의 표 1을 보면 검정금파리의 tethered flight도 이 영역에 포함된다. 레이놀즈수에 따른 유동장 및 공기역학적 힘의 발생에 대한 영향을 알아보기 위해 다른 조건들은 part 1에서와 같게 하고, Rec=60, 1000, 2000에 대해 해석하여, Rec=684의 결과와 비교하였다.
판단된다. 해석방법은 part 1의 결과에 part 2에서 계산한 결과를 비교하는 방식으로 진행하였다. 해석결과 "8자 운동”을 구성하는 운동성분 중 rotation이 추력 발생에 지배적인 역할을 하는 것으로 나타났으며, 이와 관련된 반시계방향의 회전순환이 추력 발생 에 있어서 중요한 역할을 하고 있는 것으로 드러났다.

성능/효과

해석방법은 part 1의 결과에 part 2에서 계산한 결과를 비교하는 방식으로 진행하였다. 해석결과 "8자 운동”을 구성하는 운동성분 중 rotation이 추력 발생에 지배적인 역할을 하는 것으로 나타났으며, 이와 관련된 반시계방향의 회전순환이 추력 발생 에 있어서 중요한 역할을 하고 있는 것으로 드러났다.
급격하게 rotation을 하게 되면 회전순환과는 반대로 시계방향으로 회전하는 RSV(Rotating Starting Vortex)가 날개 뒷전에서 생성되는 것은 충분히 이해될 수 있을 것이다. 결과적으로, 양력은 TSV에 의해 유도되는 에어포일 주위의 시계방향의 순환으로 발생되고, 추력은 회전순환과 관계되는데, 이와 반대로 날개 뒷전에서 생성되는 RSV가 part 1에서 나타났던 와류정지 현상 및 와류 짝 현상을 유도하게 되는 것이다. 따라서 검정금파리는 downstroke 에서 TSV에 의한 C의 형성으로 양력을 얻고, upstroke에서 匚을 이용하여 추력을 얻고 있는 것이었다.
또 그림 6-(a)에서 보듯이 TL의 조합으로는 upstroke 구간에서 과도한 음의 양력이 발생하고 있는데, 이를 rotation이 전체 "8자 운동”에서 상당부분 회복시켜 주고 있음을 알 수 있다. 따라서 앞전에서 발생하는 동적 실속에 의한 앞전와류의 생성은 전적으로 translation과 lagging 운동의 조합에 의한 효과라고 볼 수 있고, 추력발생 의 대부분은 rotation 운동에 기인한다고 할 수 있을 것이다. 이미 Part 1에서 앞전와류의 발생은 유효받음각에 의한 효과라고 지적한바 있다.
그림에서 보면 양(+)의 양력은 그림 1과 비슷하게 대부분 downstroke에서 발생된다. 본 논문에 나타내지는 않았지만, downstroke시의 앞전와류가여전히 양력발생에 기여하고 있는 것으로 나타났다. 다음으로 항력계수를 살펴보면 전체적으로 대단히 많은 항력을 허용하고 있을 볼 수 있는데, 특히 downstroke와 upstroke사이의 rotation 구간에서 많은 항력이 발생되며, upstroke 끝에서 발생되는 추력도 그림 1의 Rec=684와 비교했을 때 대단히 작아 앞서 발생된 항력을 상쇄시키지 못하고 있다.

후속연구

날개운동의 파라메트릭 연구는 곤충비행의 양력과 추력발생에 관계된 유동현상을 물리적으로 좀 더 명확하게 이해할 수 있는 근거를 제시할 수 있으며, 그 결과 자체로도 초소형비행체의 설계에 유용하게 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 해석방법은 part 1의 결과에 part 2에서 계산한 결과를 비교하는 방식으로 진행하였다.

참고문헌 (18)

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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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