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문제 정의
- 본 연구에서는 공력소음 저감에 대한 기초연구로서, 생체모방공학에 기법 전 부엉이의 저소음 비행 메커니즘 연구를 통해 공력소음 저감을 모색하였다. 먼저 실험계획법인 다구치방법과 CFD를 통해 정상 상태의 유동을 분석하여 부엉이 깃의 주요변수를 도출하고, 대와류모사법(Large Eddy Simulation, 이하 LES)을 이용하여 부엉이의 깃에 따른 비정상유동특성을 분석하여 공력소음의 원인이 되는 와류를 억제하는 메커니즘을 파악하였다.
- 본 연구에서는 운송 수단의 고속화에 따른 공력 소음을 저감 시킬 수 있는 생체 모방 공학 연구를 수행하였다. 부엉이의 저소음 비행 원리와 관계된 5개의 형상 변수를 설정한 뒤 실험 계획법에 따라 직교표를 작성하였다.
제안 방법
- 3차원 정상상태로 해석을 수행하였다. Table 4에서 보는바와 같이 지배방정식으로는 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 해석을 수행하였고 난류 모델은 상용 유동해석 소프트웨어인 FLUENT에서 제공하는 Standard k-epsilon 2 equation 모델(3)을 사용하였으며, 압력장을 풀기 위해서 연속 방정식으로부터 압력을 계산할 수 있는 방정식을 유도하여 속도와 압력을 연관시켜 계산하는 "Semi Implicit Method for Pressure-Linked Equation algorithm"을 사용하였는데.
- 격자 구성에는 Hypermesh를 이용하였으며, 차량표면 격자와 해석영역을 미소한 제어체적으로 분할여 격자망을 형성하였다. 계산 격자는 약 60만 ~ 80만개의 tetrahedral격자로 구성하였다.
- 격자 및 경계조건은 선행해석 단계와 동일하게 설정하여 해석을 수행하였으며 와류 생성 원리를 확인하기위해 형상모델이 적용되지 않은 기본모델 (base model)과 깃 형상이 적용된 27개의 case 중, 선행해석단계에서 Swirling strength가 가장 크고 작은 14번 case 모델과 24번 case 모델을 우선적으로 선정하여 해석을 수행하였다.
- 직교배열표의 27case의 깃 형상을 CAD 모델링 프로그램 UGNX를 사용하여 모델링하였다. 계산 효율을 증대시키기 위해 깃의 개수를 3개로 고정시켜 모델링하였다.
- 생체 모방 대상인 부엉이의 저소음 비행 원리를 파악하기위해 부엉이 날개의 익형, 깃의 형상 및 구조, 비행 습관 등을 조사하였다. 다른 조류와는 다르게 부엉이의 깃털의 칼깃이라고 불리는 미세한 빗살구조가 작은 와류를 발생시켜 큰 와류의 발생을 억제하고 이를 통해 공력 소음을 저감시킨다는 점에서 착안하여 칼깃의 형상에서 인자를 도출하였다. 또한, 이 변수들을 실험 계획법의 하나인 다구치 법을 사용하여 3수준 5인자로 설계하였다.
- 본 연구에서는 공력소음 저감에 대한 기초연구로서, 생체모방공학에 기법 전 부엉이의 저소음 비행 메커니즘 연구를 통해 공력소음 저감을 모색하였다. 먼저 실험계획법인 다구치방법과 CFD를 통해 정상 상태의 유동을 분석하여 부엉이 깃의 주요변수를 도출하고, 대와류모사법(Large Eddy Simulation, 이하 LES)을 이용하여 부엉이의 깃에 따른 비정상유동특성을 분석하여 공력소음의 원인이 되는 와류를 억제하는 메커니즘을 파악하였다. 향후 본 연구 결과를 확장하여 공력 소음 저감에 응용할 수 있는 기초 방안을 제시하고자 한다.
- 56m/s로 균일하게 설정하였다. 모델링의 벽면은 Figure 2와 같이 유체가 흐르는 수직방향의 벽은 유입되는 유속과 동일한 속도로 움직이는 moving wall로 설정하여, 자유장에서 유동이 흐르는 효과를 내도록 설정하여 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서 선정한 부엉이 저소음 비행 영향을 미치는 칼깃 모델의 변수를 정하기 위해 직관적으로 부엉이 깃 형상을 관찰하였으며, Table 1과 같이 제어인자 5인자로 정하고 각 수준을 3수준으로 정하였다. Figure 1은 제어인자의 기준을 나타내고 있다.
- 본 연구에서는 운송 수단의 고속화에 따른 공력 소음을 저감 시킬 수 있는 생체 모방 공학 연구를 수행하였다. 부엉이의 저소음 비행 원리와 관계된 5개의 형상 변수를 설정한 뒤 실험 계획법에 따라 직교표를 작성하였다. 정상상태에서 FLUENT를 사용하여 유동해석을 수행하였으며 부엉이 저소음 비행 원리를 모방한 최적화된 모델을 선정하였다.
- 생체 모방 대상인 부엉이의 저소음 비행 원리를 파악하기위해 부엉이 날개의 익형, 깃의 형상 및 구조, 비행 습관 등을 조사하였다. 다른 조류와는 다르게 부엉이의 깃털의 칼깃이라고 불리는 미세한 빗살구조가 작은 와류를 발생시켜 큰 와류의 발생을 억제하고 이를 통해 공력 소음을 저감시킨다는 점에서 착안하여 칼깃의 형상에서 인자를 도출하였다.
- 와류를 확인하기 위해 사용되는 방법 중 하나인 Swirling strength를 확인하여 각 case의 와류량을 예측하였다. 깃 형상이 없는 기본모델의 경우에는 Swirling strength이 766.
- 부엉이의 저소음 비행 원리와 관계된 5개의 형상 변수를 설정한 뒤 실험 계획법에 따라 직교표를 작성하였다. 정상상태에서 FLUENT를 사용하여 유동해석을 수행하였으며 부엉이 저소음 비행 원리를 모방한 최적화된 모델을 선정하였다. 비정상 상태의 난류 유동장 해석을 통하여 선정된 모델의경우 기본 모델에 비해 와류량이 크게 감소한 것을 확인 할 수 있었다.
- 직교배열표의 27case의 깃 형상을 CAD 모델링 프로그램 UGNX를 사용하여 모델링하였다. 계산 효율을 증대시키기 위해 깃의 개수를 3개로 고정시켜 모델링하였다.
대상 데이터
- 격자 구성에는 Hypermesh를 이용하였으며, 차량표면 격자와 해석영역을 미소한 제어체적으로 분할여 격자망을 형성하였다. 계산 격자는 약 60만 ~ 80만개의 tetrahedral격자로 구성하였다.
- 정상상태 유동해석에 기반한 생성 와류량의 비교를 통하여 도출된 와류 생성 인자를 이용하여 Table 7과 같이 최적의 깃 형상을 선정하였다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 LES 기법을 선정하였다. LES 기법에서는 아격자 모델 (SubGrid-Scale; SGS)을 필요로 한다. 큰 스케일 내의 아격자 스케일의 효과를 나타내는 아격자 난류점성 모델(6)을 사용하였으며, 아격자 난류점성을 계산하기 위해 Smagorinski-Lilly 모델(7)을 선정하여 사용하였다.
- Table 4에서 보는바와 같이 지배방정식으로는 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 해석을 수행하였고 난류 모델은 상용 유동해석 소프트웨어인 FLUENT에서 제공하는 Standard k-epsilon 2 equation 모델(3)을 사용하였으며, 압력장을 풀기 위해서 연속 방정식으로부터 압력을 계산할 수 있는 방정식을 유도하여 속도와 압력을 연관시켜 계산하는 "Semi Implicit Method for Pressure-Linked Equation algorithm"을 사용하였는데.
- 따라서 본 연구에서는 LES 기법을 선정하였다. LES 기법에서는 아격자 모델 (SubGrid-Scale; SGS)을 필요로 한다.
- 다른 조류와는 다르게 부엉이의 깃털의 칼깃이라고 불리는 미세한 빗살구조가 작은 와류를 발생시켜 큰 와류의 발생을 억제하고 이를 통해 공력 소음을 저감시킨다는 점에서 착안하여 칼깃의 형상에서 인자를 도출하였다. 또한, 이 변수들을 실험 계획법의 하나인 다구치 법을 사용하여 3수준 5인자로 설계하였다. 다구치는 소위 직교표(orthogonal table)라 부르는 실험계획을 이용하여 데이터를 수집할 것과, 그 데이터로부터 유도된 SN비(signal-to-noise ratio)를 분석 함으로써 제품이나 공정의 최적조건을 결정할 것을 제안하고 있다.
- 본 연구에서는 비정상상태의 정확한 난류 유동장을 파악하기 위해 LES모델을 적용하였다. 아격자 난류점성 모델은 Smagorinsky-Lily 모델을 사용하였으며, Smagoronsky 상수는 광범위한 유동장 해석에서도 사용가능하도록 Lilly(8)가 제안한 상수값 0.
- 본 연구에서는 비정상상태의 정확한 난류 유동장을 파악하기 위해 LES모델을 적용하였다. 아격자 난류점성 모델은 Smagorinsky-Lily 모델을 사용하였으며, Smagoronsky 상수는 광범위한 유동장 해석에서도 사용가능하도록 Lilly(8)가 제안한 상수값 0.1을 적용하여 해석을 수행하였다.
- LES 기법에서는 아격자 모델 (SubGrid-Scale; SGS)을 필요로 한다. 큰 스케일 내의 아격자 스케일의 효과를 나타내는 아격자 난류점성 모델(6)을 사용하였으며, 아격자 난류점성을 계산하기 위해 Smagorinski-Lilly 모델(7)을 선정하여 사용하였다. 이 모델은 에너지의 순수 소산량이 해석격자에서 아 격자 크기로의 에너지 전달량과 같다는 사실을 와류-점도에 의해 반영함으로써 평균적으로 에너지 보존이 만족하도록 제안된 모델이다.
성능/효과
- 깃 형상은 유체 흐름을 분산 시키는 동시에, 유체가 깃 형상을 타고 오르며 박리현상을 지속화 시켜 유동의 급격한 변화를 크게 줄이는 것으로 판단된다. 결과적으로 부엉이 저소음 비행원리를 적용한 모델의 경우 와류량이 상대적으로 감소시키는 것으로 해석 되었다. 추후 본 모델을 이용하여 소음 저감 효과를 분석할 예정이다.
- 정상상태에서 FLUENT를 사용하여 유동해석을 수행하였으며 부엉이 저소음 비행 원리를 모방한 최적화된 모델을 선정하였다. 비정상 상태의 난류 유동장 해석을 통하여 선정된 모델의경우 기본 모델에 비해 와류량이 크게 감소한 것을 확인 할 수 있었다. 이는 부엉이 저소음 비행 원리를 모방한 깃 형상이 작은 와류를 생성하여 큰 와류 생성을 방해하기 때문인 것으로 판단된다.
- 이를 통해 깃의 길이와 Z축의 각도가 신호 대 잡음비에 가장 큰 영향을 주는 요인으로 작용하는 것을 확인할 수 있으며, 이는 깃의 길이와 Z축 각도가 와류량에 민감한 인자인 것을 알 수 있다.
- 이는 깃 형상을 모방 한 막대 모양이 기본 모델 끝단에서 생성되는 와류를 분산 시키는 동시에 유동이 깃 형상을 타고 오르게 하여 큰 와류를 억제하는 것으로 판단된다. 즉, 유동이 떨어지면서 생기는 와류량을 줄이기 위하여 얇은 깃 형상이 유체의 흐름을 분산시키며 그와 동시에 유동이 모델에서 떨어지는 시간을 늘려 급격한 유동의 변화를 줄여 주는 것으로 판단된다.
후속연구
- 결과적으로 부엉이 저소음 비행원리를 적용한 모델의 경우 와류량이 상대적으로 감소시키는 것으로 해석 되었다. 추후 본 모델을 이용하여 소음 저감 효과를 분석할 예정이다.
- 먼저 실험계획법인 다구치방법과 CFD를 통해 정상 상태의 유동을 분석하여 부엉이 깃의 주요변수를 도출하고, 대와류모사법(Large Eddy Simulation, 이하 LES)을 이용하여 부엉이의 깃에 따른 비정상유동특성을 분석하여 공력소음의 원인이 되는 와류를 억제하는 메커니즘을 파악하였다. 향후 본 연구 결과를 확장하여 공력 소음 저감에 응용할 수 있는 기초 방안을 제시하고자 한다.
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