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군집을 모사한 입자-격자 구조의 난류 내 동적 안정성

Dynamic Stability of Particle-Lattice Structures Simulating Swarms in Turbulence

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.17 no.3, 2019년, pp.32 - 38  

오정석 (Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University) ,  윤성근 (Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University) ,  박한준 (Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University) ,  황원태 (Department of Mechanical & Aerospace Engineering, Seoul National University)

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The dynamic stability of swarms is crucial in preventing collisions in clustered flights and safely moving along a defined path. Although there have been many simulation studies on dynamic stability, there have not been many experimental studies using real clusters due to the difficulty in implement...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구 결과는 군집으로 비행하는 구조의 이점에 대한 새로운 관점을 제시한다. 기존 연구들은 V-formation으로 나는 군집체의 형태가 군집 내 개개인의 Lift를 증가시킨다는 사실을(1) 증명하였다.
  • 하지만, 많은 개체가 모여서 비행하는 J-formation 군집체는 drag 측면에서 오히려 손해를 발생시킨다는 연구 결과들이 있다(11). 본 연구에서는 J-formation과 같이 모여서 비행하는 군집체에 대해 입체 지수가 증가함에 따라 각 개체의 동적 안정성이 증가하는 것을 실험을 통해 확인하였다. 즉, 군집체의 비행 구조가 입체 형태로 가까워질 때 각 개체의 안정성이 전반적으로 증가한다는 것을 시사한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
입자-격자 구조란? 본 연구는 실험실 환경에서 군집과 유동의 상호작용을 모사할 수 있는 모형을 새롭게 제시한다. 입자-격자 구조는 실과 스티로폼 공을 이용하여군집을 효과적으로 모사할 수 있는 모형이다. 입자 수와 개체 간의 상대적 배치를 변화시키며 다양한 입자-격자 구조를 제작하였다.
비행체의 군집 비행 사례가 미흡했던 부분들은? 그러나 위 두 가지 사례는 미흡한 점들이 분명히 있다. 평창 올림픽의 경우 당일 기상이 좋지 않아 드론 군집 비행은 사전 촬영된 영상으로 대체되었고 아마존의 컨셉 또한 배터리의 용량 한계에 따른 지속능력 문제, 기체 간 충돌로 발생하는 파손 등의 문제로 진척이 굉장히 더디다.
자연에서의 군집 비행 연구사례는? 최근 들어 자연에서의 군집 비행과 인공 비행체의 군집 비행 등에 대한 연구가 모두 활발히 진행되고 있다. 자연에서의 군집 비행의 경우 2001년 Nature에 실린 논문(1)을 기점으로 새나 물고기 군집의 움직임에 대한 연구가 다양하게 진행중이다. 비행체의 군집 비행의 경우, 특히 드론 분야에서 연구가 활발하다.
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참고문헌 (11)

  1. Weimerskirch, H., Martin, J., Clerquin, Y., Alexandre, P., and Jiraskova, S., 2001, "Energy saving in flight formation," Nature, Vol. 413, pp. 697-698. 

  2. Bowlin, M.S. and Wikelski, M., 2008, "Pointed wings, low wingloading and calm air reduce migratory flight costs in songbirds," PloS one, Vol. 3, p. e2154. 

  3. Pennycuick, C., Alerstam, T., and Hedenstrom, A., 1997, "A new low-turbulence wind tunnel for bird flight experiments at Lund University, Sweden," Journal of Experimental Biology, Vol. 200, pp. 1441-1449. 

  4. Hwang, W. and Eaton, J.K., 2004, "Creating homogeneous and isotropic turbulence without a mean flow," Experiments in Fluids, Vol. 36, pp. 444-454. 

  5. Variano, E.A. and Cowen, E.A., 2008, "A random-jet-stirred turbulence tank," Journal of Fluid Mechanics, Vol 604, pp. 1-32. 

  6. Reynolds, C.W., 1987, Flocks, herds and schools: A distributed behavioral model, ACM, pp. 25-34. 

  7. Toner, J. and Tu, Y., 1995, "Long-range order in a two-dimensional dynamical XY model: how birds fly together," Physical review letters, Vol. 75, p. 4326. 

  8. Young, G. F., Scardovi, L., Cavagna, A., Giardina, I., and Leonard, N. E., 2013, "Starling Flock Networks Manage Uncertainty in Consensus at Low Cost," Plos Computational Biology, Vol. 9, e1002894 

  9. Brown, D. and Christian, W., 2011, "Simulating what you see: combining computer modeling with video analysis," In 8th International Conference on Hands on Science. Ljubljana, Slovenija. 

  10. Sapir, N., Horvitz, N., Wikelski, M., Avissar, R., Mahrer, Y., and Nathan, R., 2011, "Migration by soaring or flapping: numerical atmospheric simulations reveal that turbulence kinetic energy dictates bee-eater flight mode," Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, Vol. 278, pp. 3380-3386. 

  11. Higdon, J. J. L., and Corrsin, S., 1978, "Induced drag of a bird flock," The American Naturalist, Vol. 112, pp. 727-744. 

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