[논문]정지 비행에서의 곤충 날개 궤적에 따른 공기역학적 특성

조헌기; 주원구

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.7.506

Abstract ▼ AI-Helper

Insect flight is adapted to cope with each circumstance by controlling a variety of the parameters of wing motion in nature. Many researchers have struggled to solve the fundamental concept of insect flight, but it has not been solved yet clearly. In this study, to find the most effective flapping w...

Insect flight is adapted to cope with each circumstance by controlling a variety of the parameters of wing motion in nature. Many researchers have struggled to solve the fundamental concept of insect flight, but it has not been solved yet clearly. In this study, to find the most effective flapping wing dynamics, we conducted to analyze CFD data on fixing some of the optimal parameters of wing motion such as stoke amplitude, flip duration and wing rotation type and then controlled the deviation angle by fabricating wing tip motion. Although all patterns have the similar value of lift coefficient and drag coefficient, pattern A(pear-shape type) indicates the highest lift coefficient and pattern H(pear-shape type) has the lowest lift coefficient among four wing tip motions and three deviation angles. This result suggest that the lift and drag coefficient depends on the angle of attack and the deviation angle combined, and it could be explained by delayed stall and wake capture effect.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

다행히 Lehmanm외 다수(2)논문에서 이탈각이 19o 인 경우에 실험을 하였기 때문에 이탈각이 20o인 경우에 대해서 수치계산의 타당성을 검증하기 위해 비교해 보았다.
Lehmanm외 다수⁽²⁾의 논문에서 Full-sine (oval pattern), Half-sine(figure-of-eight pattern)이 잘 섞여 있는 4개의 움직임을 선택했으며 여기에 이탈각을 3가지(10^o，20^o, 30^o)로 변화시켜 그 결과를 비교하였다. 이를 통해 곤충 비행에서의 이탈각과 날개 움직임이 양력 상승에 주는 효과를 관찰하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 해석한 유체의 특성은 3차원 비정 상유동으로 비 압축성 점성 유동이 다. FLUENT 6.

제안 방법

곤충 모델은 초파리를 선택했으며 wing rotation type 방식은 advanced rotation에 대해서 수치 계산을 하였다. Lehmanm외 다수⁽²⁾의 논문에서 Full-sine (oval pattern), Half-sine(figure-of-eight pattern)이 잘 섞여 있는 4개의 움직임을 선택했으며 여기에 이탈각을 3가지(10^o，20^o, 30^o)로 변화시켜 그 결과를 비교하였다. 이를 통해 곤충 비행에서의 이탈각과 날개 움직임이 양력 상승에 주는 효과를 관찰하고자 한다.
또한 날개 주변 격자는 세밀하게 형성하고 외부로 나갈수록 크게 형성하여 정확도 및 계산 속도를 높였다. 격자는 static이 아닌 Dynamic Mesh와 Autoremeshing을 사용하여 날개의 움직임에 따라 격자 모양도 자동으로 따라 움직이도록 하였다.
날개 궤적은 Lehmanm외 다수⁽²⁾의 논문을 참고하여 Full-sine(sin(27rt)-oval pattern), Half-sine(sin(47rt)-figure-ofeight pattern)# 조합하여 전반 반주기가 Full-sine이며 후반 반주기가 Half_sine으로 구성되어 있는 A, B pattern과 전반 반주기가 Half sine 이며 후반 반주기가 Full-sine 으로 이루어진 F, H pattern을 이용하여 총 4개 형태를 만들었다.(Fig.
하지만 현재 까지 곤충들의 다양한 움직임에 대한 양력 효과 및 비행 원리에 관한 논문은 적었으며 여러 가지 날개 패턴으로 인해 발생하는 이탈각에 대한 상세한 연구 내용도 부족 했다. 본 연구는 상용 프로그램인 FLUENT 6.3을 이용하여 정지비행에서의 곤충 여러 날개 궤적과 이탈각 변화에 따른 공기역학적 특성을수치 계산하였다. 곤충 모델은 초파리를 선택했으며 wing rotation type 방식은 advanced rotation에 대해서 수치 계산을 하였다.

대상 데이터

사용된 격자는 tetra/hybrid mesh를 이용 하였으며 형성 된 격자수는 약 15만개 이다. 기본적인 격자 형상은 Dickinson 외 다수^⑴의 실험에서 사용된 mineral oil tank형상을 기반으로 만들었으며 계산 속도를 빨리 하기 위해 한쪽 날개만 형성한 후 대칭 조건을 부여 하여 계산을 하였다.
유체 해석을 위해 날개 형상 모델링의 기본으로 설정한 곤충은 초파리(Drosophila melanogaster)이며 비행 영역의 Reynolds 수는 약 136으로 알려져 있으며 본 연구에서도 Reynolds 수를 약 136으로 설정하였다.

이론/모형

2 참조) ZXY Euler angles 을 이용하여 rotation matrix를 만들었으며 여기서 사용된 좌표계는 절대좌표계(X,Y,Z)와 날개 회전 좌표계(y，e，(l)) 이다. 3차원 좌표계에서 시간 변화에 따른 날개 위치를 바찍 주어여 하기 때문에 Euler angle의 정의에 따라 rotation하는 변환 matrix를 사용하였다.(Fig.
3을 이용하여 정지비행에서의 곤충 여러 날개 궤적과 이탈각 변화에 따른 공기역학적 특성을수치 계산하였다. 곤충 모델은 초파리를 선택했으며 wing rotation type 방식은 advanced rotation에 대해서 수치 계산을 하였다. Lehmanm외 다수⁽²⁾의 논문에서 Full-sine (oval pattern), Half-sine(figure-of-eight pattern)이 잘 섞여 있는 4개의 움직임을 선택했으며 여기에 이탈각을 3가지(10^o，20^o, 30^o)로 변화시켜 그 결과를 비교하였다.
사용된 격자는 tetra/hybrid mesh를 이용 하였으며 형성 된 격자수는 약 15만개 이다. 기본적인 격자 형상은 Dickinson 외 다수^⑴의 실험에서 사용된 mineral oil tank형상을 기반으로 만들었으며 계산 속도를 빨리 하기 위해 한쪽 날개만 형성한 후 대칭 조건을 부여 하여 계산을 하였다. 또한 날개 주변 격자는 세밀하게 형성하고 외부로 나갈수록 크게 형성하여 정확도 및 계산 속도를 높였다.
1 참조) 여기에 다시 stroke amplitude 평면과 노축 방향으로 날개와 이루는 각도인 이탈각을 10°, 20°, 30^o로 주어서 수치 계산을 하였다. 날개 움직임에 대한 제어는 Dickinson 외다수^⑷논문에서 사용된 식을 이용하였다.(Fig.
그래서 유체역학적 상사법칙을 통해 실험 대상의 크기를 늘려 실험을 하거나 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션 방법이 연구 방법으로 사용되고있다. 실험 장치를 통한 연구는 laser를 이용한 PIV(Particle Image Velocime)장비를 이용하여 유동장 및 여러 data를 분석하고 있으며 시뮬레이션 을 이용한 방법은 여러가지의CFD(Computational Fluid Dynamics)방법 및 상용프로그램을 이용하여 분석을 하고 있다. 최근 연구 결과로는 Dickinson^⑴과 Ellington⁽⁵⁾ 에 의해 기본적인 비행 원리로 delayed stall, rotational lift,wake capture 제안했다.

성능/효과

(2) 발생하는 힘의 비교에서는 pattern별로 평균 양력 계수는 pattern A가 제일 크며, pattern H가 제일 작았다. 또한 항력 계수는 pattern A가 제일 크며，pattern F가 제일 작았다.
(3) Full-sine과 Half-sine의 궤적을 어떻게 조합을 해주냐에 따라 반전 부분의 양력 계수 값이 상승 또는 감소하였다.
(4) 양력 계수 변화는 이탈각과 받음각의 합에 상호 연관성을 가지고 있으며 이탈각과 받음각의 증감에 따라 양력 계수도 유사한 증감을 보였다. 이는 지연 실속 효과와 후류 포획 효과에 의해서 생기는 것을 잘 보여준다.
바로 이러한 특성으로 인해 앞에서 언급한 이탈각의 변화에 따른 양력 계수 선도의 변화 양상이 나오게 되는 것이다. 결과적으로 날개 하단에 존재하는 유체의 양에 따라 발생할 수 있는 양력 계수 값이 결정이 되며 이는 이탈각을 받음각에 더한 값으로 잘 보여주고 있다. Fig.
기본적인 격자 형상은 Dickinson 외 다수^⑴의 실험에서 사용된 mineral oil tank형상을 기반으로 만들었으며 계산 속도를 빨리 하기 위해 한쪽 날개만 형성한 후 대칭 조건을 부여 하여 계산을 하였다. 또한 날개 주변 격자는 세밀하게 형성하고 외부로 나갈수록 크게 형성하여 정확도 및 계산 속도를 높였다. 격자는 static이 아닌 Dynamic Mesh와 Autoremeshing을 사용하여 날개의 움직임에 따라 격자 모양도 자동으로 따라 움직이도록 하였다.
Dickinson 외 다수⁽⁴⁾및 Young-ho Kim⁽³⁾ 의 논문에 의하면 평균적으로 advanced rotation이 symmetrical rotation 보다 양력은 약 8%, 항력은 약 10% 증가하는 것으로 보고되었다. 이를 통해 현재 사용된 상용프로그램의 신뢰도가 높다는 결론을 내리게 되었다.（Fig.

후속연구

(1) 날개 움직임 패턴 별로 다른 특징을 보여 주었으며 이를 이용하여 상황에 맞는 다양한 비행을 구사 할 수 있는 MAV를 제작 할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	곤충의 날개 짓의 특징은?	많은 학자들이 곤충의 비행기술 및 그 원리를 분석하기 위해 다방면에서 노력을 해왔으며 특히 공학 분야에서는 곤충 비행분석 및 초소형비행 체( MAV : Micro Aerial Vehicle) 제작 응용을 위해 많은 노력을 하고 있다. 허나 곤충의 날개 짓은 매우 움직임이 빠르며，날개짓 하는 방법도 각 곤충마다 여러 가지형태를 가지고 있는 것을 밝혀졌다. 크기도 작아직접적인 관찰을 통한 분석 방법은 상당히 어렵다.
	Lehmann(2)의 연구를 통해 제시한 것은?	최근 연구 결과로는 Dickinson⑴ 과 Ellington(5) 에 의해 기본적인 비행 원리로 delayed stall, rotational lift,wake capture 제안했다. 또한 Lehmann(2)의 연구를 통해 clap-and-fling의 구체적인 양력 상승 원리를 제시하였다. 하지만 현재 까지 곤충들의 다양한 움직임에 대한 양력 효과 및 비행 원리에 관한 논문은 적었으며 여러 가지 날개 패턴으로 인해 발생하는 이탈각에 대한 상세한 연구 내용도 부족 했다.
	곤충의 날개 짓에 대한 최근 연구 결과의 한계는?	또한 Lehmann(2)의 연구를 통해 clap-and-fling의 구체적인 양력 상승 원리를 제시하였다. 하지만 현재 까지 곤충들의 다양한 움직임에 대한 양력 효과 및 비행 원리에 관한 논문은 적었으며 여러 가지 날개 패턴으로 인해 발생하는 이탈각에 대한 상세한 연구 내용도 부족 했다. 본 연구는 상용 프로그램인 FLUENT 6.

참고문헌 (8)

Dickinson, M.H. and Lehmann, F.-O. and Sane, S.P., 1999, 'Wing Rotation and the Aerodynamics Basis of Insect Flight,' Science Vol. 284, pp. 87-89

상세보기
Lehmann, F.-O. and Simon Pick, 2007, 'The Aerodynamic Benefit of Wing-Wing Interaction Depends on Stroke Trajectory in Flapping Insect Wings,' The Journal of Experimental Biology, Vol. 210, pp. 1362-1377

상세보기
Yong-Ho Kim, 2004, 'Numerical Study of Unsteady Aerodynamic Force Generated by Flapping of Drosophila,' Dissertation in the graduate school of Yonsei University
Sane, S.P. and Dickinson, M.H., 2001, 'The Control of Flight Force by a Flapping Wing : Lift and Drag Production,' The Journal of Experimental Biology, Vol. 204, pp. 2607-2626

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Ellington, C.P., van den Berg, C. and Willmott, A. P., 1996, 'Leading Edge Vortices in Insect Flight,' Nature, Vol. 384, pp. 626-630

상세보기
Mao Sun and Jian Tang, 2002, 'Unsteady Aerodynamic Force Generation by a Model Fruit Fly Wing in Flapping Motion,' The Journal of Experimental Biology, Vol. 205, pp. 55-70

상세보기
Wang, Z.J., 2005, 'Dissecting Insect Flight,' Annu. Rev. Fluid Mech. Vol. 37, pp. 183-210

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Sane, S.P., 2003, 'The Serodynamic of Insect Flight,' The Journal of Experimental Biology, Vol. 206, pp. 4191-4208

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