[논문]상어표피 모사 리블렛 구조의 탄성유체윤활 해석

김태완

doi:10.9726/kspse.2014.18.1.128

상어표피 모사 리블렛 구조의 탄성유체윤활 해석
Elasto-hydrodynamic Lubrication Analysis for Biomimetic Riblet Surface like Shark Skin 원문보기

한국동력기계공학회지 = Journal of the korean society for power system engineering, v.18 no.1, 2014년, pp.128 - 134

김태완 (부경대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

For the characteristic assessment of biomimetic shark skin structure pattern for engineering applications, we conducted the elastic hydrodynamic lubrication analysis for the shark skin surface pattern. The shark skin surfaces with roughness are generated numerically in the similar size with real shark skin scales. For the spherical contact on the generated shark skin surface with two different flow directions which are transversal and longitudinal, 3-dimensional elasto-hydrodynamic lubraction analysis are carried out. The result of the longitudinal flow which are similar with the flow of shark skin shows more beneficial effects with lower pressure and less sensitive effect with surface roughness.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 이러한 상어표면 형상의 성능이 접촉 기계요소에도 활용될 수 있을 것이라는 가정에서 출발하였다. 그동안 많은 연구가 있어왔던 항력 감소 특성 외에 리블렛 구조의 상어 표피 형상에 대한 윤활 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 우선 실제 상어 표피를 측정하여 해석에 필요한 상어 표피 형상을 반타원 구조로 단순화시키고 표면 거칠기를 고려하여 리블렛 구조의 표면을 수치적으로 생성시켰다.
이상과 같이 상어 표면 및 그의 산업적 응용에 대한 많은 연구가 있어왔고 이러한 연구들의 결과로 전신 수영복의 개발, 리블렛 필름 제작을 통한 비행기 및 선박 등의 운송체에 미치는 항력을 감소시켜 실질적인 에너지 소비량을 줄이는 데 많은 기여를 하였다. 본 연구는 이러한 상어표면 형상의 성능이 접촉 기계요소에도 활용될 수 있을 것이라는 가정에서 출발하였다. 그동안 많은 연구가 있어왔던 항력 감소 특성 외에 리블렛 구조의 상어 표피 형상에 대한 윤활 특성을 파악하고자 하였다.
본 연구에서는 리블렛 구조의 상어 표피 형상에 대한 3차원 윤활 해석을 수행하여 그 특성을 살펴보았다. 이를 위해 실제 상어 표피형상을 측정하여 미세돌기의 표면 거칠기를 고려한 리블렛구조의 표면형상을 수치적으로 생성시켰다.
이를 위해 우선 실제 상어 표피를 측정하여 해석에 필요한 상어 표피 형상을 반타원 구조로 단순화시키고 표면 거칠기를 고려하여 리블렛 구조의 표면을 수치적으로 생성시켰다. 생성된 표면에 대해 3차원 탄성유체윤활 해석을 수행하여 그 특성을 평가하고자 하였다.

가설 설정

일반적으로 이상의 상어 비늘에 대한 형상 분석을 통해 얻은 데이터를 근거로 윤활해석을 위한 상어 표면을 수치적으로 생성하였다. 상어 비늘 위에 존재하는 하나의 리브를 반타원체로 가정하였으며 각각의 장반경, 단반경 및 높이를 앞절에서 측정된 값을 기준으로 생성하였다. Fig.
상어 표피 형상의 접촉기계요소의 공학적 응용 가능성을 밝히기 위해 윤활 해석을 수행하였다. 윤활 해석을 위해 수치적으로 생성된 상어 표피형상을 갖는 평판 위에 구가 접촉할 때 윤활유가 유입되는 상황을 가정하여 수행하였다. 일반적으로 두 탄성체의 접촉을 상당표면과 강체의 접촉으로등가시켰을 때 유막 두께식은 다음과 같다.

제안 방법

0μm인 미세 돌기를 가진 상어 비늘 형상 표면에 대해 해석을 수행하였다. 또한 유체의 흐름방향이 리브와 평행한 종방향 유동(longitudinal flow)인 경우와 리브와 수직으로 유체가 흐르는 횡방향 유동(transversal flow)인 경우에 대해 해석을 수행하였다. 윤활유는 광유를 사용하였으며 관련 파라메터 및 작동조건은 Table 1과 같다.
따라서 리브 구조위에 미세돌기들을 중첩시켜 미세 돌기의 영향을 살펴볼 필요가 있다. 미세 돌기들의 수치적 표면 생성은 자기상관함수(autocorrelation function)과 확률밀도함수(probability density function)의 조합으로 3차원 거친 표면의 형태로 생성하였다.⁸⁾
사용된 상어표면은 Fig. 4에 도시한 바와 같이 미세돌기가 없는 매끄러운 상어 표피 형상과 Ra=0.2μ m 및 Ra=1.0μm인 미세 돌기를 가진 상어 비늘 형상 표면에 대해 해석을 수행하였다.
상어 표피 형상의 접촉기계요소의 공학적 응용 가능성을 밝히기 위해 윤활 해석을 수행하였다. 윤활 해석을 위해 수치적으로 생성된 상어 표피형상을 갖는 평판 위에 구가 접촉할 때 윤활유가 유입되는 상황을 가정하여 수행하였다.
2.1 상어표피의 형상

상어 표피의 리블렛 구조를 수치적으로 형성시키기 위해 우선 SEM과 3D surface profiler를 이용해 표면 형상을 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 리블렛 구조의 상어 표피 형상에 대한 3차원 윤활 해석을 수행하여 그 특성을 살펴보았다. 이를 위해 실제 상어 표피형상을 측정하여 미세돌기의 표면 거칠기를 고려한 리블렛구조의 표면형상을 수치적으로 생성시켰다. 구 접촉문제로 가정한 윤활 해석 결과, 실제 상어 표피의 유체 흐름과 유사한 종방향 유동의 경우가 횡방향 유동의 경우보다 유체압력의 발생이 상대적으로 낮음을 확인할 수 있었다.
그동안 많은 연구가 있어왔던 항력 감소 특성 외에 리블렛 구조의 상어 표피 형상에 대한 윤활 특성을 파악하고자 하였다. 이를 위해 우선 실제 상어 표피를 측정하여 해석에 필요한 상어 표피 형상을 반타원 구조로 단순화시키고 표면 거칠기를 고려하여 리블렛 구조의 표면을 수치적으로 생성시켰다. 생성된 표면에 대해 3차원 탄성유체윤활 해석을 수행하여 그 특성을 평가하고자 하였다.
일반적으로 이상의 상어 비늘에 대한 형상 분석을 통해 얻은 데이터를 근거로 윤활해석을 위한 상어 표면을 수치적으로 생성하였다. 상어 비늘 위에 존재하는 하나의 리브를 반타원체로 가정하였으며 각각의 장반경, 단반경 및 높이를 앞절에서 측정된 값을 기준으로 생성하였다.
생성된 Jacobian Matrix는 가우스 소거법을 이용하여 계산 하였다. 접촉부 해석 및 탄성 변위의 계산은 탄성 변위식을 이용한 접촉 해석 기법으로 풀었고, 수렴성이 높고 계산속도가 빠른 SOR법으로 수치 해석을 수행하였다.¹²⁾
탄성유체윤활 알고리즘을 이용하여 구와 상어 표피 형상의 평판에 대한 해석을 수행하였다. 사용된 상어표면은 Fig.

이론/모형

경계 조건은 다음의 레이놀즈 경계조건을 적용하였다.
5이다. 레이놀즈 방정식을 중앙 차분법으로 이산화했으며, 비선형 방정식의 수치 해석에 있어서 수렴성이 높은 뉴튼-랩슨법을 적용하였다. 생성된 Jacobian Matrix는 가우스 소거법을 이용하여 계산 하였다.
레이놀즈 방정식을 중앙 차분법으로 이산화했으며, 비선형 방정식의 수치 해석에 있어서 수렴성이 높은 뉴튼-랩슨법을 적용하였다. 생성된 Jacobian Matrix는 가우스 소거법을 이용하여 계산 하였다. 접촉부 해석 및 탄성 변위의 계산은 탄성 변위식을 이용한 접촉 해석 기법으로 풀었고, 수렴성이 높고 계산속도가 빠른 SOR법으로 수치 해석을 수행하였다.
윤활유의 점성과 밀도에 대해 Roelands10)의 점도-압력관계식, Dowson & Higginson11)의 밀도-압력 관계식을 각각 적용하였다.

성능/효과

(a)에서 매끄러운 표면의 압력분포는 일반적으로 알려진 구 접촉 EHL 압력분포와 유사하나, Ra=0.2μm 표면에서는 윤활유의 출구부위에 돌기의 영향이 더해져 압력 스파이크가 크게 발생하였고 Ra=1μm 표면에서는 돌기의 영향이 입구부위에 서부터 나타나 출구로 갈수록 압력형상이 심하게 요동됨을 알 수 있다.
Fig. 6(b)의 Y축 단면에서는 상어 표피의 리브 형상이 존재하는 부위에서 압력이 증가함을 알 수 있고 미세 돌기의 표면거칠기가 거칠수록 리브가 존재하는 부위의 압력이 크게 증가되는 것을 알 수 있다. Fig.
이를 위해 실제 상어 표피형상을 측정하여 미세돌기의 표면 거칠기를 고려한 리블렛구조의 표면형상을 수치적으로 생성시켰다. 구 접촉문제로 가정한 윤활 해석 결과, 실제 상어 표피의 유체 흐름과 유사한 종방향 유동의 경우가 횡방향 유동의 경우보다 유체압력의 발생이 상대적으로 낮음을 확인할 수 있었다. 또한 리브위에 존재하는 미세돌기의 표면거칠기가 거칠수록 유체압력의 증가폭은 증가함을 확인할 수 있었다.
구 접촉문제로 가정한 윤활 해석 결과, 실제 상어 표피의 유체 흐름과 유사한 종방향 유동의 경우가 횡방향 유동의 경우보다 유체압력의 발생이 상대적으로 낮음을 확인할 수 있었다. 또한 리브위에 존재하는 미세돌기의 표면거칠기가 거칠수록 유체압력의 증가폭은 증가함을 확인할 수 있었다.
579Pa보다 약 30%정도 낮은 유체압력이 생성되 었으며, 돌기가 있는 경우도 마찬가지로 종방향 유동의 압력이 횡방향에 비해 약 28%에서 33%정도의 압력저하 효과가 발생됨을 알 수 있다. 또한 리블렛 위에 존재하는 미세돌기의 표면 거칠기가 거칠수록 높은 압력이 나타나며 압력 분포형상도 표면 돌기의 영향으로 거칠게 나타났다.
리브 위에 존재하는 미세 돌기의 거칠기는 약 Ra = 0.1 ~ 0.2μm정도의 범위에 있는 것을 확인되었다.
의 밀도-압력 관계식을 각각 적용하였다. 이상의 Reynolds 방정식과 하중조건, 점도-압력의 관계 그리고 밀도압력관계 등을 이용하여 구와 상어 표면과의 접촉 시 윤활막의 압력 및 유막두께를 계산할 수 있다. 수치해석에 사용한 프로그램은 Compaq Fortran v6.

후속연구

따라서 리 블렛 구조의 상어표피형상을 접촉기계요소의 표면에 적용할 경우 종방향 유동이 일어나도록 표면 가공이 이루어져야 할 것으로 생각된다. 향후 이러한 종방향 유동시 윤활성능을 향상시킬 수 있도록 리브 구조의 높이와 폭, 그리고 리브간의 공간적 분포에 대한 최적화와 관련된 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상어의 비늘은 어떻게 생겼는가?	상어는 리블렛(riblet) 형상의 비늘을 통해 바다 속에서 시속 80킬로미터의 속도까지 낼 수 있다. 이 미세한 비늘은 길이가 200μm 정도이며 치아와 같은 강한 법랑질로 만들어져 있다.
	Shark skin effect가 연구되게한 상어 비늘의 기능은?	상어는 리블렛(riblet) 형상의 비늘을 통해 바다 속에서 시속 80킬로미터의 속도까지 낼 수 있다. 이 미세한 비늘은 길이가 200μm 정도이며 치아와 같은 강한 법랑질로 만들어져 있다. 상어 표면의 리브는 물의 흐름 방향과 평행하게 정렬되어 있어 항력을 줄이고 표면 오염 방지 및 자가 세정 능력을 제공하게 된다. “Shark skin effect”라 명명된 이러한 상어 표피에 대한 연구는 많은 과학자들의 관심의 대상이 되고 있다.
	윤활 해석 결과는 어떠한가?	이를 위해 실제 상어 표피형상을 측정하여 미세돌기의 표면 거칠기를 고려한 리블렛구조의 표면형상을 수치적으로 생성시켰다. 구 접촉문제로 가정한 윤활 해석 결과, 실제 상어 표피의 유체 흐름과 유사한 종방향 유동의 경우가 횡방향 유동의 경우보다 유체압력의 발생이 상대적으로 낮음을 확인할 수 있었다. 또한 리브위에 존재하는 미세돌기의 표면거칠기가 거칠수록 유체압력의 증가폭은 증가함을 확인할 수 있었다.

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D. Dowson, and G. R. Higginson, 1966, "Elastohydrodynamic Lubrication," Pergamon, Oxford.
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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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