[논문]로터 간격에 따른 쿼드로터의 후류특성 변화 연구

이승철; 채석봉; 김주하

doi:10.5407/jksv.2019.17.3.046

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Rotor wake interaction must be considered to understand the quadrotor flight, and the rotor separation distance is an important parameter that affects the rotor wake interaction. In this study, the wake characteristics were investigated with varying the rotor separation distance. The velocity field ...

Rotor wake interaction must be considered to understand the quadrotor flight, and the rotor separation distance is an important parameter that affects the rotor wake interaction. In this study, the wake characteristics were investigated with varying the rotor separation distance. The velocity field in the rotor wake was measured using digital PIV for hovering mode at Re = 34,000, and the wake boundaries from the inner and outer rotor tips were quantitatively compared with varying the rotor separation distance. The symmetric rotor-tip vortex shedding about the rotor axis was found at a large rotor separation distance. However, the wake boundary became more asymmetric about the rotor axis with decreasing the rotor separation distance. At the minimum rotor separation distance, in particular, a faster vortex decay was observed due to a strong vortex interaction between adjacent rotors.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematics for wake measurements on (a) xy plane and (b) yz plane.
그림 Fig. 2. Quadrotor UAV model used in the study (a) d/R = 0.13 and (b) d/R = 2.37.
그림 Fig. 3. Mean vorticity contours with varying z/R (a) 1 rotor rotated out of 4 rotors and (b) all 4 rotors rotated at d/R = 0.13.
그림 Fig. 4. Mean transverse velocity contour at x/R=0 and magnitude of velocity contour at z/R = -0.44.
그림 Fig. 5. Mean streamwise velocity contours at (a) d/R = 2.24, (b) d/R = 1.18 and (c) d/R = 0.13 on x45°z plane.
그림 Fig. 6. Mean vorticity contours at (a) d/R = 2.24, (b) d/R = 1.18 and (c) d/R = 0.13 on x_45°z plane.
그림 Fig. 7. Instantaneous vorticity contours with the velocity fields at (a) d/R = 2.24, (b) d/R = 1.18 and (c) d/R = 0.13 on x_45°z plane.
그림 Fig. 8. The locations of inner and outer tip vortices at (a) d/R = 2.24, (b) d/R = 1.18 and (c) d/R = 0.13. Here, r denotes the radial coordinate about the rotational axis of the rotor.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 입자영상유속계를 이용하여 로터 간격 조절이 가능한 무인비행체 모델의 공중정지 비행에 대한 후류 유동을 실험적으로 측정하였고, 로터 간 상호작용에 따른 후류 변화 양상을 살펴보았다.
따라서 본 연구에서는 입자영상유속계를 이용하여 로터 간격 조절이 가능한 무인비행체 모델의 공중정지 비행에 대한 후류 유동을 실험적으로 측정하였고, 로터 간 상호작용에 따른 후류 변화 양상을 살펴보았다.

제안 방법

FoV(Field of View)는 230 mm × 230 mm이고, 1/4 법칙(8)에 의해 이미지 사이의 시간간격을 20 µs으로 설정하여 입자의 이동거리가 조사 창(interrogation window)의 1/4보다 작도록 설정하였다.
여기서 모터가 무인비행체 모델의 아랫면에 설치된 로터 플랫폼(inverted rotor platform)을 사용함으로써 로터가 모터와 프레임보다 후류에 위치하도록 하였고, 무인비행체의 안정성과 추력 효율을 높이고⁽⁹⁾, 유동가시화에 있어서 유동 간섭을 최소화하였다. 무인비행체 로터의 반지름(R)은 38 mm이며 코드길이는 16 mm로 일정하고, 로터의 회전속도는 8100 rpm으로 4개의 로터 모두 일정하게 펄스폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation)신호를 조절하였다. 또한, 로터 블레이드의 초기 피치각은 23°로 고정되어 있고, 사각형 모양의 블레이드를 사용하였다.
2는 실험에 사용된 쿼드로터형 무인비행체 모델로 기본적인 X 형상 프레임을 가지고 있고, BLDC 모터 그리고 로터로 구성되어 있다. 여기서 모터가 무인비행체 모델의 아랫면에 설치된 로터 플랫폼(inverted rotor platform)을 사용함으로써 로터가 모터와 프레임보다 후류에 위치하도록 하였고, 무인비행체의 안정성과 추력 효율을 높이고⁽⁹⁾, 유동가시화에 있어서 유동 간섭을 최소화하였다. 무인비행체 로터의 반지름(R)은 38 mm이며 코드길이는 16 mm로 일정하고, 로터의 회전속도는 8100 rpm으로 4개의 로터 모두 일정하게 펄스폭 변조(PWM; Pulse Width Modulation)신호를 조절하였다.
8과 같이 그래프에 나타내었다. 여기서, 기존의 드론 주위 절대좌표계를 사용한 것이 아니라, 특정 로터 축을 기준으로 rz 좌표를 새로 적용하여 팁 보텍스 궤적을 그래프로 표현할 수 있도록 하였다. 그래프의 x축이 의미하는 바는 z/R로 음수 부호는 주 유동방향을 의미하고, y축은 r/R로 특정 로터 축을 기준으로 하는 무차원된 방사상의 좌표이고, (z/R, r/R) = (0, 1)은 로터 팁을 의미한다.
3은 단일 로터 작동과 4개의 로터 모두 작동 시에 xy평면(수평 평면)을 변화시키며 평균 와도 윤곽을 나타낸 것이다. 이해를 돕기 위해 각 xy평면에서 측정된 평균 와도 윤곽을 중첩하여 도시하였다. Fig.

데이터처리

FoV(Field of View)는 230 mm × 230 mm이고, 1/4 법칙⁽⁸⁾에 의해 이미지 사이의 시간간격을 20 µs으로 설정하여 입자의 이동거리가 조사 창(interrogation window)의 1/4보다 작도록 설정하였다. 평균 유동장을 얻기 위해, 주 유동방향(z-direction)에 해당하는 평균 평방근(root mean square) 값이 가장 크게 형성되어 있는 영역을 지정하여 이미지 수만큼의 평균 값이 수렴하는지를 조사하였고, 2000장의 순간 유동장 이미지를 평균함으로써 평균 유동장의 안정된 평균 속도, 평균 평방근 그리고 평균 와도 값을 얻었다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로터 간격이 가까워지면 어떻게 되는가?	24), 로터 후류 간 상호작용이 거의 존재하지 않기 때문에 각 로터에서 자라나는 팁 보텍스 궤적이 각 로터 축을 기준으로 대칭으로 형성된다. 하지만 로터 간격이 점점 가까워질수록, 각 로터 후류가 무인비행체의 중심으로 기우는 경향이 커지는 것을 알 수 있으며, 그로 인해 로터의 안쪽과 바깥쪽 팁 보텍스 궤적이 비대칭적으로 형성된다. 로터 간격이 가장 가까운 경우(d/R = 0.
	후류가 서로 이끌리고 모이려하는 현상은 왜 일어나는 것인가?	이는 Fig. 4를 통해 설명할 수 있는데, 인접한 로터 사이 공간에 각 로터의 회전방향에 의해 유도된 속도가 합쳐지면서 그 인접지역에서 속도가 빨라지고 그에 따라 압력이 낮아지기 때문에 발생하는 현상이다. 결국, 각각의 로터 후류가 무인 비행체의 중심을 기준으로 대칭적으로 형성하게된다.
	쿼드로터 형태의 무인비행체의 특징은 무엇인가?	쿼드로터 형태의 무인비행체는 가장 광범위하게 사용되는 무인비행체 유형이다. 쿼드로터 형태의 무인비행체는 공중정지 비행(hovering) 또는 수직 이착륙비행이 가능하고, 제어의 용이성을 지니고 있기 때문에 다양한 분야에서 임무 수행시 적극적으로 활용되고 있다. 최근 쿼드로터 형태의 무인비행체가 다양한 분야에서 유망해짐에 따라, 무인비행체 수요 증대에 걸맞은 기술적인 발전을 통하여 무인비행체의 작동시간과 공력성능을 향상시키는 것은 필수적이다.

참고문헌 (11)

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Conlisk, A. T., 1997, "Modern helicopter aerodynamics," Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 29(1), pp. 515-567.

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Yoon, S., Lee, H. C., and Pulliam, T. H., 2016, "Computational analysis of multi-rotor flows," In 54th AIAA Aerospace Sciences Meeting, p. 0812.
Russell, C. R., Jung, J., Willink, G., and Glasner, B., 2016, "Wind tunnel and hover performance test results for multicopter UAS vehicles," 72nd Annual Forum of the American Helicopter Society.
Keane, R. D., and Adrian, R. J., 1990, "Optimization of particle image velocimeters. I. Double pulsed systems," Measurement Science and Technology, Vol. 1(11), p. 1202.

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Mendes, H. J., and Egbue, O., 2018, "Analysis of inverted rotors in multirotor aerial vehicles with VTO," IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 67(6), pp. 5535-5539.

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Zhou, W., Ning, Z., Li, H., and Hu, H., 2017, "An experimental investigation on rotor-to-rotor interactions of small UAV propellers," In 35th AIAA Applied Aerodynamics Conference, p. 3744.

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