[논문]잠자리 모사 모형 주변의 유동가시화 실험

윤준용; 엄상진; 지영무; 박준상

doi:10.5407/jksv.2010.8.2.016

잠자리 모사 모형 주변의 유동가시화 실험
Flow Visualization on the Bio-Mimic Model of Dragonfly 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.8 no.2, 2010년, pp.16 - 22

윤준용 (한라대학교 기계자동차공학부(학부)) , 엄상진 (한라대학교 기계자동차공학부(학부)) , 지영무 (한국과학기술원 기계공학과(원)) , 박준상 (한라대학교 기계자동차공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A flow visualization has been conducted to investigate unsteady flight characteristics of a model of dragonfly. The mechanism of lift generation by flapping wings is analyzed using smoke-wire and high speed camera. The experimental results of flow visualization show a discernible sequential dynamics that three mechanisms and high incidence angle of the wings are responsible for the lift generation. The leading edge vortex by the rapid acceleration of leading edge of the wing during initial stage of stroke causes a strong lift enhancement. Delayed stall during the stroke, fast supination and pronation of the wing near the end of each stroke are also responsible for the lift generation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

각주기에 발생하는 현상들을 연구해 봄으로써 생체모방으로 비행체의 날개부분 연구를 위한 자료가 되었다. 모델 날개에 테이핑을 통하여 잠자리의 비행특성과 날개의 움직임을 더 쉽게 알아 낼 수 있었다.
본 연구는 잠자리 모방 모델의 비행원리를 분석하고 날갯짓을 통해 비행특성을 알아내는 연구이다. 자체 제작한 풍동을 이용한 Smoke Wire 가시화 실험을 통해 Reynolds 수 3.
현재 비행체가 극복하지 못한 잠자리의 비행에 대해 연구가 있었으나 완벽한 구현을 못한 한계로, 많은 연구와 그에 따른 기술이 필요하다. 본 연구에서는 잠자리 비행에 대한 기본적인 이해를 위해 자체 제작한 풍동을 이용한 Smoke Wire 가시화 실험을 통해 잠자리 모방 모델의 비행원리를 정성적으로 살펴보았다.

제안 방법

Dicknson 과 Gotz^{(4, 5)}는 특정 받음각을 갖는 플래핑 하는 날개는 날개의 빠른 움직임으로 인해 앞전와류(Leading Edge Vortex)가 발생하며, 이러한 앞전와류는 날개와 다시 만나는 위치(재부착점)에 따라 공력특성이 달라진다고 하였다. 또한 곤충 날개가 양력을 발생시키는 과정을 (1) 실속지연(Delayed Stall), (2) 회전 와류(Rotational Circulation), (3) 후류 포착(Wake Capture)의 세 과정으로 구분하였다. 이 과정을 Fig.
실험은 위에 언급한 풍동 안에 잠자리 모델 몸체를 유동의 흐름방향과 평행하게 고정하고 풍동상류에서 전체 날개 길이의 50%에 해당하는 위치에 hot wire방식으로 Smoke를 발생시키면서 고속 카메라를 이용하여 모델의 날갯짓에 의한 유동의 변화를 관찰하였다.
자체 제작한 풍동을 이용한 Smoke Wire 가시화 실험을 통해 Reynolds 수 3.18×103에서 잠자리 모방 모델의 비행원리를 정성적으로 살펴보았다.
잠자리 모델 날갯짓의 한 주기를 Translation I, Rotation, Translation II, Clapping의 네 단계로 구분하였다. 한 주기 동안 날개의 움직임을 살펴보기 위하여 날개 표면에 테이핑을 하고 실험을 실시하였다.
잠자리 모방 모델의 기본적인 비행원리를 고찰한 후 날개 Span길이의 20%에 해당하는 0.04 m만큼 Root방향(CASE 1)과 Tip방향(CASE 2)으로 Smoke Sheet를 각각 옮겨가며 추가적인 실험을 실시했다(Fig. 10).
날개사이의 최대각도는 위 사진에 정의한 θ 각도로 60°이다. 촬영한 영상을 바탕으로 한 주기에 따른 날개의 움직임과 날개 주변에 생기는 유동현상을 분석하였다. 날갯짓 분석을 위한 사진은 고속 카메라를 이용하여 640×480 pixel, 200 FPS으로 촬영하였다.
챔버와 시험부의 유동을 개선하기 위해 시험부 상류에 플라스틱 빨대를 허니컴(Honeycomb) 대신 사용하였으며 RPM을 제어할 수 있는 네 개의 팬을 장착하여 유속 제어가 가능하게 제작되었으며 자체 제작한 풍동이므로 정확한 공력측정 및 세밀한 가시화 등의 실험을 실시하는 데는 다소 무리가 있지만 본 연구에서 수행하려고 하는 잠자리 모방 모델의 비행원리를 정성적으로 살펴보는 데는 충분하다고 생각된다. 최대한 풍도의 벽면효과를 줄이기 위해 대칭면을 기준으로 모형의 1/2 에 대한 실험을 수행했다. 모형크기 대비 풍동크기의 비가 2/3로 다소간의 벽면효과가 발생할 것으로 예상되나 본 연구의 목적인 정성적인 유동패턴을 알아보는 데는 무리가 없는 것으로 판단된다.
기본적인 가시화 단면은 날개의 뿌리(root)로부터 span의 40%에 해당하는 위치이다. 필요에 따라 span 방향 가시화 단면 위치를 변화시켜 날개의 3차원 효과를 고찰했다. 날개사이의 최대각도는 위 사진에 정의한 θ 각도로 60°이다.
잠자리 모델 날갯짓의 한 주기를 Translation I, Rotation, Translation II, Clapping의 네 단계로 구분하였다. 한 주기 동안 날개의 움직임을 살펴보기 위하여 날개 표면에 테이핑을 하고 실험을 실시하였다. 지금 설명할 것은 날개의 움직임과 테이핑한 것으로 비틀림, 추력이 발생될 것이라는 예측 등을 하기 위한 실험이다.

대상 데이터

실험모델로는 잠자리모델(High Tech사의 Dragonfly)을 선정하였다. 날개스팬 0.2 m, 평균 Chord 길이 0.08 m의 RC(Radio Controled)이 사용 되었다. 날개는 동일한 축에서 각각 반대의 위상을 가지고 플래핑하는 두쌍의 날개로 이루어져 있으며 Fig.
날갯짓 분석을 위한 사진은 고속 카메라를 이용하여 640×480 pixel, 200 FPS으로 촬영하였다.
실험모델로는 잠자리모델(High Tech사의 Dragonfly)을 선정하였다. 날개스팬 0.
실험에서 제작한 풍동은 팬(Fan)과 아크릴판을 이용한 자체 제작한 풍동(Fig. 4)이고 흡입식이며 시험부 규격이 300×300×300 mm 이다.

성능/효과

이미 잘 알려진 바와 같이 곤충 날개가 양력을 발생 시키는 세 과정 실속지연(Delayed Stall), 회전 와류(Rotational Circulation), 후류 포착(Wake Capture))이 잠자리 모방 모델에서도 유사하게 나타남을 직접 확인할 수 있었으며, 잠자리 모형 모델은 실제 잠자리에겐 없는 25°의 붙임각(Incidence Angle)에 의해 모든 과정(Process)에서 양력이 발생하고 있을 것을 예상하여 실험 한 결과 양력이 모두 발생했다.
4)이고 흡입식이며 시험부 규격이 300×300×300 mm 이다. 챔버와 시험부의 유동을 개선하기 위해 시험부 상류에 플라스틱 빨대를 허니컴(Honeycomb) 대신 사용하였으며 RPM을 제어할 수 있는 네 개의 팬을 장착하여 유속 제어가 가능하게 제작되었으며 자체 제작한 풍동이므로 정확한 공력측정 및 세밀한 가시화 등의 실험을 실시하는 데는 다소 무리가 있지만 본 연구에서 수행하려고 하는 잠자리 모방 모델의 비행원리를 정성적으로 살펴보는 데는 충분하다고 생각된다. 최대한 풍도의 벽면효과를 줄이기 위해 대칭면을 기준으로 모형의 1/2 에 대한 실험을 수행했다.

후속연구

최대한 풍도의 벽면효과를 줄이기 위해 대칭면을 기준으로 모형의 1/2 에 대한 실험을 수행했다. 모형크기 대비 풍동크기의 비가 2/3로 다소간의 벽면효과가 발생할 것으로 예상되나 본 연구의 목적인 정성적인 유동패턴을 알아보는 데는 무리가 없는 것으로 판단된다.
하지만 향후 양력을 얻기 위한 붙임각의 효율적인 각도, 날개의 진동주기 그리고 자유흐름속도의 변화에 따른 연구와 현재 비행체가 극복하지 못한 잠자리의 비행에 대해 연구가 있었으나 완벽한 구현을 못한 한계로, 많은 연구와 그에 따른 기술이 필요한 시점에서 앞으로 그러한 현상을 구현 할 수 있도록 앞서 실험한 것과 실제곤충을 비교 분석하여 잠자리의 비행을 더욱 유사하게 만드는 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	곤충은 추력과 양력을 어디에서 얻는가?	라이트 형제의 1903년 첫 동력비행 성공을 시작으로 수백 명의 승객을 태운 여객기가 대륙과 대륙을 횡단하고 있는 현재에 이르기 까지 항공분야는 눈부신 발전을 거듭해 오고 있다. 고정된 날개와 엔진에서 추력과 양력을 각각 발생시키는 항공기와는 달리 곤충은 플래핑(Flapping)하는 날개로부터 추력과 양력을 모두 얻는다. 곤충의 비행원리를 규명하고자 하는 연구는 오래전부터 관심을 받아온 연구 주제로서 실험분야와 전산해석분야에서 활발히 진행되어져왔다.
	잠자리 모델 날갯짓의 한 주기를 어떻게 구분하였는가?	잠자리 모델 날갯짓의 한 주기를 Translation I, Rotation, Translation II, Clapping의 네 단계로 구분하였다. 한 주기 동안 날개의 움직임을 살펴보기 위하여 날개 표면에 테이핑을 하고 실험을 실시하였다.
	곤충의 비행원리를 규명하고자 하는 연구에는 무엇이 있는가?	곤충의 비행원리를 규명하고자 하는 연구는 오래전부터 관심을 받아온 연구 주제로서 실험분야와 전산해석분야에서 활발히 진행되어져왔다. Willmott 등(1)은 앞전와류가 시작되는 날개의 앞전과 재부착점 사이에 Separation Bubble이 발생하며 이는 곧 날개의 유효캠버를 증가 시켜 양력이 발생한다고 하였다. Van den Berg와 Ellington(2)은 플래핑하는 날개의 Down Stroke 과정에서 앞전와류의 재부착현상이 발생함을 유동가시화 실험을 통해 설명하였다. Liu 등(3)은 제자리 비행을 하는 나방 의 날개 주변유동을 수치적 연구를 통해 알아보았으며 그 결과로 Down Stroke 과정에서 양력이 발생한다는 것을 밝혀냈다. Dicknson 과 Gotz(4, 5)는 특정 받음각을 갖는 플래핑 하는 날개는 날개의 빠른 움직임으로 인해 앞전와류(Leading Edge Vortex)가 발생하며, 이러한 앞전와류는 날개와 다시 만나는 위치(재부착점)에 따라 공력특성이 달라진다고 하였다. 또한 곤충 날개가 양력을 발생시키는 과정을 (1) 실속지연(Delayed Stall), (2) 회전 와류(Rotational Circulation), (3) 후류 포착(Wake Capture)의 세 과정으로 구분하였다.

참고문헌 (5)

Willmott, A. P., Ellington, C. P. and Thomas, A. L., 1997, "Flow Visualization and Unsteady Aerodynamics in the Flight of the Hawkmoth, Manduca sexta," Philosophical Transactions: Biological Sciences , Vol. 352, No.1351, pp.303-316.

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Van den berg, C. and Ellington, C. P., 1997, "The Three-Dimensional Leading-Edge Vortex of a ‘Hovering’ Model Hawkmoth," Philosophical Transactions: Biological Sciences, Vol. 352, No.1351, pp.329-340.

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Liu, H., Ellington, C. P., Kawachi, K., Van den berg, C. and Willmott, A. P., 1998, "A Computational Fluid Dynamics Study of Hawkmoth Hovering," Journal of Experimental Biology, Vol.201, pp.461-477.
Dickinson, M. H. and Gotz, K. D.,1993, "Unsteady Aerodynamics Performance of Model Wings at Low Reynolds Number," Journal of Experimental Biology, Vol.174, pp.45-64.
Dickinson, M. H., Lehman, F. O. and Sane, S. P., 1999, "Wing Rotation and the Aerodynamics Basis of Insect Flight," Science, Vol.284, pp.1954-1960.

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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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