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문제 정의
- 본 연구에서는 초고속카메라를 이용하여 물 속에서 자유낙하하는 평판의 fluttering motion을 가시화하고, 운동 궤적의 분석을 통해 fluttering kinematics와 dynamics의 특성을 살펴보았다. 거의 일정한 진폭을 가지고 주기적으로 진동하는 fluttering의 특징 때문에 평판의 x방향 및 y방향 속도는 단순 조화함수로 나타낼 수 있었다.
가설 설정
- 즉, ω는 Vx와 같은 주기로 일정하게 진동하지만 방향전환점 주위에서 x방향 운동의 1/2배의 주기를 가지고 gliding 때 보다 더 큰 각속도를 갖는다. 이와 같은 fluttering 특성을 반영하기 위해 각속도의 근사 함수는 다음과 같이 서로 다른 주기를 갖는 조화함수의 합으로 가정하였다.
제안 방법
- 연속된 하강 속에서도 전환점 근처에서 발생하는 질량중심의 상승으로 인해 y방향의 운동은 x방향 운동의 1/2배의 주기를 가지며, Vx와 Vy 사이에는 T/4의 위상차가 존재함을 확인하였다. 각속도는 Vx와 같은 주기를 갖지만 방향 전환점 주위에서 x방향 운동 의 1/2배의 주기를 가지고 gliding 때 보다 증가하는 특성을 가지는데, 이러한 특성을 반영하는 조화함수를 제시하였으며 제시된 각속도 함수를 이용하여 평판의 자유낙하에 따른 평판의 각도 변화를 설명하였다. Fluttering dynamics의 분석을 통해 전환점에서 급격한 양력의 감소 및 급격한 항력의 증가가 나타나는 것을 확인하였으며, 이는 받음각의 급격한 증가에 따른 실속과 관계된 것임을 보였다.
- 8은 식 (5)의 모델이 어떻게 SHPS 평판의 운동 궤적을 구성하는지를 나타낸다. 두 harmonic function이 서로 보강간섭하는 영역과 상쇄간섭하는 영역은 각각 분홍색 실선과 초록색 실선으로 도시하였다. 이를 통해 전환점 주위에서는 두 조화함수가 보강되어 평판이 수평면과 이루는 각도가 급격히 변하는 반면, gliding 구간에서는 두 harmonic function이 상쇄되어 평판이 수평면과 이루는 각도가 완만히 변하는 것을 알 수 있다.
- 802초)에 비해 약 11% 짧다. 또한 SHPS 평판의 평균하강속력은 22.32cm/s로 base 평판(23.31cm/s)에 비해 4.25% 감소하는 결과를 보였으며, 이러한 차이의 원인을 알아보기 위해 3.2에서 fluttering dynamics를 분석하였다.
- 자유낙하 중 평판의 휘어짐에 의한 영향을 배제하기 위해 충분히 높은 Young’s modulus (E = 200 GPa)를 갖는 재질(SS41)의 평판을 사용하였다. 또한 평판의 네 모서리에는 지름 0.8㎜의 스테인리스 비드를 부착하여 평판이 낙하하는 중에 수조 벽면에 닿더라도 그에 따른 마찰을 최소화하여 자유낙하가 가능하도록 하였다. (11)
- 본 연구에서는 물 속에서 자유낙하하는 평판의 2차원 fluttering에 초점을 맞추어 실험을 통해 비행 궤적을 측정하고, 측정한 궤적을 바탕으로 fluttering kinematics와 dynamics의 특성을 분석하였다. 또한 표면에 초소수성 코팅(superhydro- phobic coating)한 평판의 자유낙하운동을 동일한 형상과 크기를 지닌 2차원 평판의 자유낙하운동과 비교하여 초소수성 표면이 자유낙하운동에 미치는 영향을 살펴보았다.
- 본 연구에서는 물 속에서 자유낙하하는 평판의 2차원 fluttering에 초점을 맞추어 실험을 통해 비행 궤적을 측정하고, 측정한 궤적을 바탕으로 fluttering kinematics와 dynamics의 특성을 분석하였다. 또한 표면에 초소수성 코팅(superhydro- phobic coating)한 평판의 자유낙하운동을 동일한 형상과 크기를 지닌 2차원 평판의 자유낙하운동과 비교하여 초소수성 표면이 자유낙하운동에 미치는 영향을 살펴보았다.
- 방수 전자석은 전원공급기와 연결되어 공급전압에 따라 자성의 세기가 변하며, 이러한 성질을 이용하여 평판을 자유 낙하시켰다. 자유낙하가 시작될 때 방수 전자석과 평판 간의 상호작용에 의한 유동간섭을 최소화하기 위해 전자석의 세 점에서 평판의 중량을 지지하도록 설계하였으며, 이를 통해 3개의 지지점을 제외한 면에 대해 평판과 전자석간의 거리는 4㎜ 이상의 간격을 유지하도록 하였다. 또한 평판을 수조 안의 물 속에 자유낙하시키기 전에는 최소 30분 이상의 시간 간격을 두어 물 속의 잔류유동을 제거하였다.
- 자유낙하하는 평판의 운동은 중력, 부력, 양력(L) 그리고 항력(D)의 균형에 의해 결정되는데, 분석을 용이하게 하기 위해 본 연구에서는 부력보정 질량(m')을 이용하여 중력과 부력의 합력을 동시에 고려하였다(Fig. 9).
- 자유낙하하는 평판의 운동을 선명하게 가시화하기 위해 평판의 측면에서 5W DPSS 레이저(RN-532)를 통해 532㎚의 파장을 갖는 레이저 평면을 조사하였으며, 조사된 이미지는 초고속카메라 (SpeedSense M310)를 통해 1280 pixel × 800 pixel의 해상도와 500fps의 속도로 촬영되었다(Fig. 4).
- 초기각도는 1/80°의 분해능을 갖는 회전 스테이지로 제어하였으며, 본 실험에서는 초기 각도를 20°로 고정하였다.
- 본 연구에서 사용된 평판에 초소수성 코팅을 하기 위하여 Soft99사의 GLACO MIRROR COAT ZERO를 사용하였다. 초소수성 코팅이 균일하게 생성되도록 스프레이를 양면에 각각 분사하였으며, 30분 이상의 충분한 건조시간을 가진 뒤 실험에 사용하였다. Fig.
- 파란 실선은 base 평판, 빨간 실선은 SHPS 평판의 결과를 나타내며, 서로 다른 주기를 갖는 두 평판의 비교를 용이하게 하기 위해 각각의 주기로 무차원화된 시간(t*)에 해 결과를 도시하였다.
- 7은 시간에 대해 중앙차분법(central difference method)을 이용하여 구한 base 평판과 SHPS 평판의 x방향 속도, y방향 속도 및 각속도의 시간에 따른 변화를 최소제곱법(least square method)을 통해 조화함수로 근사한 결과를 나타낸 것이다(8). 파란 실선은 base 평판, 빨간 실선은 SHPS 평판의 결과이며, 서로 다른 주기를 갖는 두 평판의 비교를 용이하게 하기 위해 각각의 주기로 무차원화된 시간 (t*)에 대해 결과를 도시하였다. 자유낙하가 이루어지는 동안 평판의 x방향 전환점(turning point)이 거의 일정한 진폭을 가지고 주기적으로 나타나기 때문에 Vx는 가장 단순한 조화함수의 형태를 갖는 것을 볼 수 있다(Fig.
대상 데이터
- 본 실험 장치는 낙하장치(releasing mechanism), 전원공급기, 평판, 수조, 초고속카메라, DPSS 레이저로 구성된다(Fig. 3). 이 중 낙하장치는 평판을 원하는 초기각도로 자유낙하시키는 역할을 하며, 회전 스테이지(R11-40)와 주문 제작된 방수 전자석으로 구성된다.
- 자유낙하 중 평판의 휘어짐에 의한 영향을 배제하기 위해 충분히 높은 Young’s modulus (E = 200 GPa)를 갖는 재질(SS41)의 평판을 사용하였다.
- 4). 평판의 자유낙하가 이루어지는 수조는 투명 아크릴로 제작했으며, 내부 치수는 폭 1,000㎜, 길이 105㎜, 높이 1,000㎜ 이다. 특히 평판의 자유낙하 운동을 2차원 운동으로 제한하기 위해 수조의 길이는 평판의 길이와 거의 동일하게 제작하였다 (11,20).
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 평판에 초소수성 코팅을 하기 위하여 Soft99사의 GLACO MIRROR COAT ZERO를 사용하였다. 초소수성 코팅이 균일하게 생성되도록 스프레이를 양면에 각각 분사하였으며, 30분 이상의 충분한 건조시간을 가진 뒤 실험에 사용하였다.
성능/효과
- 각속도는 Vx와 같은 주기를 갖지만 방향 전환점 주위에서 x방향 운동 의 1/2배의 주기를 가지고 gliding 때 보다 증가하는 특성을 가지는데, 이러한 특성을 반영하는 조화함수를 제시하였으며 제시된 각속도 함수를 이용하여 평판의 자유낙하에 따른 평판의 각도 변화를 설명하였다. Fluttering dynamics의 분석을 통해 전환점에서 급격한 양력의 감소 및 급격한 항력의 증가가 나타나는 것을 확인하였으며, 이는 받음각의 급격한 증가에 따른 실속과 관계된 것임을 보였다. 또한 gliding 구간에서 상대적으로 낮은 받음각으로 인해 평판 위에 부착된 유동 흐름이 발생하며, 이로 인해 중력과 부력의 합력을 상회하는 양력이 발생하여 전환점 근처에서 평판의 질량 중 심이 상승하는 것을 확인하였다.
- 25% 감소하는 것을 확인하였다. 또한 SHPS 평판의 평균 양력 증가(1.23%)와 평균 항력 감소(0.71%)로 인해 평균 하강속도가 감소(4.25%)하는 것을 확인하였다.
- Fluttering dynamics의 분석을 통해 전환점에서 급격한 양력의 감소 및 급격한 항력의 증가가 나타나는 것을 확인하였으며, 이는 받음각의 급격한 증가에 따른 실속과 관계된 것임을 보였다. 또한 gliding 구간에서 상대적으로 낮은 받음각으로 인해 평판 위에 부착된 유동 흐름이 발생하며, 이로 인해 중력과 부력의 합력을 상회하는 양력이 발생하여 전환점 근처에서 평판의 질량 중 심이 상승하는 것을 확인하였다. 평판의 표면에 초 소수성 코팅 처리를 할 경우 진폭은 감소하지만 여전히 fluttering motion을 보이는 것을 관찰했으며, 주기와 평균하강속력은 각각 11%, 4.
- 거의 일정한 진폭을 가지고 주기적으로 진동하는 fluttering의 특징 때문에 평판의 x방향 및 y방향 속도는 단순 조화함수로 나타낼 수 있었다. 연속된 하강 속에서도 전환점 근처에서 발생하는 질량중심의 상승으로 인해 y방향의 운동은 x방향 운동의 1/2배의 주기를 가지며, Vx와 Vy 사이에는 T/4의 위상차가 존재함을 확인하였다. 각속도는 Vx와 같은 주기를 갖지만 방향 전환점 주위에서 x방향 운동 의 1/2배의 주기를 가지고 gliding 때 보다 증가하는 특성을 가지는데, 이러한 특성을 반영하는 조화함수를 제시하였으며 제시된 각속도 함수를 이용하여 평판의 자유낙하에 따른 평판의 각도 변화를 설명하였다.
- 또한 gliding 구간에서 상대적으로 낮은 받음각으로 인해 평판 위에 부착된 유동 흐름이 발생하며, 이로 인해 중력과 부력의 합력을 상회하는 양력이 발생하여 전환점 근처에서 평판의 질량 중 심이 상승하는 것을 확인하였다. 평판의 표면에 초 소수성 코팅 처리를 할 경우 진폭은 감소하지만 여전히 fluttering motion을 보이는 것을 관찰했으며, 주기와 평균하강속력은 각각 11%, 4.25% 감소하는 것을 확인하였다. 또한 SHPS 평판의 평균 양력 증가(1.
후속연구
- Vx, Vy와 ω 사이에서 이와 같은 특정 위상차가 나타나는 물리적 원인에 대한 후속 연구가 필요할 것으로 생각된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.