[논문]가오리연의 매듭에 대한 수치해석 연구

사종엽

doi:10.5139/jksas.2016.44.3.195

가오리연의 매듭에 대한 수치해석 연구
Numerical Analysis on the Tow Point of Gaori Kite 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.3, 2016년, pp.195 - 202

사종엽 (Dept. of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.)

초록
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대중적인 연에는 방패연과 가오리연 두 종류가 있다. 방패연은 전문가들에게 널리 사랑 받고 있는 반면, 초보자들에게는 가오리연이 더 익숙하다. 가오리연의 세 종류의 제품들에 대하여 목줄의 매듭을 조사하였다. 가오리 연에 작용하는 공기역학적 힘들을 Fluent를 사용하여 수치적으로 계산하였다. 각 종류의 매듭에 대한 비행 시뮬레이션을 수행함으로써, 기존보다 최소요구풍속이 더 낮은 새로운 매듭을 제안하였다. 최소요구풍속은 연이 날기 시작하는 한계 풍속이다.

Abstract ▼ AI-Helper

There is two popular kites, Bangpae and Gaori. While the Bangpae kite is being widely loved by experts, the Gaori kite is popular for kids and beginners. Three types of Gaori kite product have been survayed on the tow point. The aerodynamic force on Gaori kite is numerically calculated by using Fluent. Through flight simulations at the tow point of each kite type, the new tow point, at which the required minimum velocity is lower than those of existing tow points, has been proposed as a standard. The required minimum velocity is the threshold wind velocity at which the kite begins to fly.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

풍속 3m/s에서 계산된 무차원 계수들로부터 레이놀즈 상사성을 이용하여 풍속 2∼7m/s일 때 연 중심에서 연 본체(날개와 꼬리 제외)에 작용하는 양력과 항력, 모멘트를 유추하였다. 가오리연의 날개와 꼬리의 하중과 항력은 별도로 고려하였으며, 날개와 꼬리의 저항계수는 0.2로 가정하였다.

제안 방법

계산된 양력과 항력, 모멘트를 이용하여, Fig. 4에서와 같이 매듭(B.P.)을 중심으로 하여 힘의 합력 F_R과 모멘트 합 M_R을 계산한다.
하지만, 목의 위치 n이 규정되지 않아서, 매듭의 위치를 결정할 수 없는 문제가 있다. 따라서, 각 종류 별로 가오리연 완성품과 조립부품을 구입하여, 목의 위치 n을 측정하였다. Table 1, Table 2, Table 3에 각 종류 별 측정치를 제시하였다.
NASA Kite Modeler[16]는 다이아몬드 등 여러가지 형상의 연들에 대하여 작은 받음각의 가정 하에서의 평판의 공력계수를 기준으로 낮은 종횡비(aspect ratio)의 날개에 대한 세류(down wash) 영향을 고려한 근사식을 사용하여 연의 비행자세를 계산하였다. 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 가오리연의 보다 정확한 공기역학적 힘을 계산하고, 다양한 받음각에 따른 작용력을 찾아서 가오리연의 비행을 시뮬레이션함으로써, 새로운 매듭의 위치를 제안한다.
연 본체(날개 및 꼬리 제외)에 작용하는 공기역학적 힘을 계산하기 위하여, FLUENT를 이용 하여 정상상태의 비압축성 유동을 해석하였다. 풍속 U는 3m/s, 받음각 α는 0°∼45°영역에서 변화시켰으며, 난류모델링은 k-ε 방법을 사용하였다.
가오리연의 비행성능에서 가장 중요한 것은 매듭의 위치이다. 연의 비행 시뮬레이션을 통하여 매듭의 위치를 지정하기 편리하면서 낮은 풍속에서 잘 날고 더 높이 날 수 있는 매듭의 위치를 찾았으며, 이 매듭을 쉽게 만들 수 있는 방법을 제안하였다.
3에서 보는 바와 같이, 연의 유동 해석 결과에 의한 유동 경로선은 가오리연의 위에서 모서리를 따라 와류가 발생하여 연의 윗쪽으로 발달되고, 이에 의하여 양력이 생성되는 과정을 보여준다. 연의 비행을 계산하기 위하여 연의 중심에 작용하는 양력과 항력, 모멘트의 무차원 계수를 구하였다. 무차원화에서 속도는 풍속을, 면적은 연의 면적을, 길이는 중심살의 길이를 사용하였다.
NASA Kite Modeler[16]는 다이아몬드 등 여러가지 형상의 연들에 대하여 작은 받음각의 가정 하에서의 평판의 공력계수를 기준으로 낮은 종횡비(aspect ratio)의 날개에 대한 세류(down wash) 영향을 고려한 근사식을 사용하여 연의 비행자세를 계산하였다. 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 가오리연의 보다 정확한 공기역학적 힘을 계산하고, 다양한 받음각에 따른 작용력을 찾아서 가오리연의 비행을 시뮬레이션함으로써, 새로운 매듭의 위치를 제안한다.
연의 크기에 따라 공기역학적 힘을 받는 정도가 달라지므로, 30cm × 30cm의 크기로 표준화시켜 비행 성능을 비교하였다.
우리나라 내륙 지방의 평균 풍속이 지면 가까이에서는 2m/s 내외에 불과하기 때문에, 2.14m/s의 낮은 풍속에서도 비행이 가능한 가오리연의 새로운 매듭을 제안하였다. 제안 매듭은 연의 중심에 대하여 (0.
제안 매듭의 가오리연을 손쉽게 제작하는 방법은 어깨살(허리살) 길이를 중심살 길이의 1.2배로 하여, 위 공수구멍을 목과 일치시키고, 아래 공수구멍을 위 공수구멍과 대칭 위치에 뚫고, 목줄을 위 공수구멍과 같은 높이에서 수평으로 당겨 옆꼭지로부터의 수직선과 만나는 점에서 매듭을 묶는다.
풍속 3m/s에서 계산된 무차원 계수들로부터 레이놀즈 상사성을 이용하여 풍속 2∼7m/s일 때 연 중심에서 연 본체(날개와 꼬리 제외)에 작용하는 양력과 항력, 모멘트를 유추하였다.

대상 데이터

시중의 민속 가오리연 중에서 색상이나 문양을 제외하고 크기와 형상만을 기준으로 가장 대표적인 세 종류의 가오리연 type A, type B, type C를 선정하였다. 각 종류 별 가오리연 조립 메뉴얼에 따르면, 주요 형상 요소는 다음과 같은 관계를 갖는다.

이론/모형

풍속 U는 3m/s, 받음각 α는 0°∼45°영역에서 변화시켰으며, 난류모델링은 k-ε 방법을 사용하였다.

성능/효과

218로 서로 다른 것을 알 수 있다. 각 종류마다 완제품과 조립 메뉴얼에 따른 조립품을 함께 비교 조사하였는데, 완성품과 조립품이 서로 다를뿐 만 아니라 심지어 동일한 종류의 완제품이나 조립품 내에서 조차 차이가 나는 것을 알 수 있다. 어깨살의 길이 l_s에 따라 목의 위치가 달라지는데, 가오리연 제작자들이 어깨살의 길이 l_s를 규정하지 않았기 때문이다.
본 연구에서 제안한 새로운 매듭은 매듭에서 연실이 지상과 이루는 각도 β가 가장 큰 값을 갖는 반면, 장력 T는 가장 작은 값을 갖는다.
하지만, 어깨살(허리살)의 길이에 따라 어깨살의 휘어진 형상과 중심살과의 교차점인 목의 위치가 달라진다. 본 연구에서는 어깨살(허리살)의 형상을 직선과 직선에 접하는 원호로 가정하여 어깨살 길이에 따른 목의 위치를 계산하여 측정데이터와 비교한 결과 상당히 잘 일치하는 것을 확인하였다. 어깨살(허리살)을 직선과 직선에 접하는 원호로 가정하여 위로부터 목의 거리가 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가오리연의 세로 댓살을 무엇이라고 하는가?	1에 나타내었다. 가오리연의 세로 댓살을 중심살(중살), 가로 댓살을 어깨살(허리살)이라 한다. 가오리연의 가로 댓살은 방패연 명칭을 따라서 일반적으로 허리살이라 부르며, 일부에서는 어깨살이라 부르기도 한다.
	방패연의 특징은 무엇인가?	방패연은 한국의 전통연으로써 전문가들에 의하여 주로 제작되면서 제작방법이 상당부분 표준화되어 있다. 반면에 가오리연은 누구나 쉽게 만들어 날리면서 제작방법이 제각각이므로, 표준화 되어 있지 않다.
	가오리연의 제작 방법은 어떤 특징이 있는가?	반면에 가오리연은 누구나 쉽게 만들어 날리면서 제작방법이 제각각이므로, 표준화 되어 있지 않다. 예를 들어 가오리연의 어깨살 (허리살) 길이와 공수구멍의 위치, 목줄 길이는 가오리연 제작자마다 약간씩 다르고, 동일한 종류에서조차 개별 제작 편차가 심하다. 연의 제작 방법이 표준화되어 있지 않다보니, 경험에 의하여 찾아낸 연의 목줄 매듭의 위치도 어깨살 길이에 따라 변한다.

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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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