초록 ▼

연구개발의 목적 및 필요성
이번 한-독 공동 연구는 야행성 올빼미과 조류(owl) 비행의 과학적 근거를 바탕으로 항공기 운항 시 날개끝단 부근의 난류 와류가 유발하는 소음을 효과적으로 저감하기 위한 원천 기술 개발을 착수하고자 한다. 올빼미과 조류는 은밀히 청각만을 이용하여 재빠르게 사냥감을 포획하는 것으로 알려져 있다. 올빼미과 조류의 고요한 비행이 가능한 이유는 다른 조류들과 구별되는 특이한 세 가지의 날개 구조 때문이다. 첫 번째는 선단부(leading edge)에 존재하는 톱니 구조(serration), 두 번째는 날개

연구개발의 목적 및 필요성
이번 한-독 공동 연구는 야행성 올빼미과 조류(owl) 비행의 과학적 근거를 바탕으로 항공기 운항 시 날개끝단 부근의 난류 와류가 유발하는 소음을 효과적으로 저감하기 위한 원천 기술 개발을 착수하고자 한다. 올빼미과 조류는 은밀히 청각만을 이용하여 재빠르게 사냥감을 포획하는 것으로 알려져 있다. 올빼미과 조류의 고요한 비행이 가능한 이유는 다른 조류들과 구별되는 특이한 세 가지의 날개 구조 때문이다. 첫 번째는 선단부(leading edge)에 존재하는 톱니 구조(serration), 두 번째는 날개 윗면의 벨벳(velvet)표면 구조, 세 번째는 날개 끝단(trailing edge)에 존재하는 빗살(fringe) 구조이다. 날개 선단부에 존재하는 톱니 구조는 난류 발생기와 같은 역할을 하여 경계층 내부 유동의 에너지를 증폭 시켜 유동의 박리를 늦추어 항력을 줄이고 양력을 높여 공기 역학적 성능을 향상시키는 구조이다. 날개 윗면의 벨벳 구조는 표면의 점탄성(viscoelasticity) 특성이 비행과정에서 발생하는 양쪽 날개 부근의 난류 에너지를 소멸시켜 난류강도를 약화시키는 것으로 알려져 있다. 날개 끝단에 존재하는 빗살 구조는 불안정한 솜털과 같은 구조를 가지고 있기 때문에, 경계층 내부의 유동의 혼합이 이루어지기에 용이하다. 이러한 구조가 날개 끝단 부근의 경계층 내부의 유동을 수렴시켜 주어 내부의 난류 에너지를 감소시켜 소음을 저감하게 된다.

한-독 공동 연구를 통해 올빼미과 조류(owl)의 고요한 비행 과정에 숨겨진 공기역학적 원리를 활용하여 항공기 날개 선단 및 끝단 벽을 둘러싼 전단층에서 발생하는 난류 유동을 효과적으로 제어하고, 이를 바탕으로 항공기 날개의 소음 저감기술을 개발하고자 한다.

연구개발의 내용 및 범위
본 연구에서는 부엉이의 날개 구조 중에서도 날개 끝단의 빗살 구조와 선단부의 톱니 구조를 생체 모방하여 소음 저감의 기본 원리에 대하여 연구를 진행한다.

연구 1차 년도에는 단순화 시킨 평판에 다공성 물질을 수학적으로 구현하고, 전산유동 시뮬레이션 및 실험을 통해 난류 와류의 거동 특성을 파악한다. 이를 바탕으로 난류 에너지 소멸 및 소음 저감의 근본 원리를 파악해서, 최적화된 다공성 물질 특성 DB를 확보한다. 1차년도에 확보된 DB를 최종적으로 정밀 음향 해석 도구인 LPCE(Linearized Perturbed Compressible Equations)로 모델링하여 공력 소음 저감예측 및 소음 특성 파악 등의 정량화 작업을 완료한다.

2차 년도에는 단순화 시킨 평판의 선단부에 적합한 톱니 구조 serration을 구현하여 실험을 통해 난류 와류의 거동 특성을 파악한다. 이를 바탕으로 난류 에너지 소멸 및 소음 저감의 근본 원리를 파악하고, 소음에 영향을 미치는 Geometric parameter data를 확보한다. 실험을 통해 확보된 최적의 톱니 구조 serration 모델을 전과 동일하게 정밀 음향 해석 도구(LPCE)로 모델링하여 소음을 예측한다.

연구개발 결과
공동 연구 1차 년도에는 다공성 물질로 이루어진 단순화된 평판의 수학적 모델링을 완료했고, 최적 물성치와 난류 와류의 거동 특성을 전산 유동 시뮬레이션 및 실험을 통해 파악했다. 이를 바탕으로 다공성 물질 특성 DB를 확보하여 LPCE(Linearized Perturbed Compressible Equations)로 모델링하여 소음 특성 파악 등의 정량화 작업을 완료했다.

2차 년도에는 1차 년도에 확보된 다공성 물질의 최적 DB를 통해 난류 와류의 거동 특성 및 최적 공극률 계산과 소음 효율을 정량화하였다. 선단부에 톱니 구조 serration 구현 및 airfoil 소음 스펙트럼을 도시하여 각 형상 변수(geometric parameter)별 소음 특성을 파악 및 DB화하였다.

1, 2차 년도에 최종적으로 확보된 빗살 구조와 톱니 구조 serration의 유동 및 음향 분석 DB는 차세대 항공기 날개 설계에 필요한 원천 기술로 활용하도록 한다.

연구개발의 활용 계획
친환경 운송 수단에 대한 핵심 기술 연구는 선진국을 중심으로 앞 다투어 진행되고 있으며, 운송 수단의 공력소음 저감 대책은 그 중요성이 날로 더해가고 있다.

이번 공동 연구를 통하여 항공기의 공력 소음 저감을 위한 효과적인 방안을 제시할 경우, 점차 높아지고 있는 공력 소음 저감의 시대적 요구에도 부합할 뿐만 아니라, 국내 항공 산업 분야의 고급기술 양성화에 기여할 것으로 예상된다.

(출처 : 요약문 3p)

Abstract ▼

Purpose
In line with the fundamental research of aeroacoustics based on the scientific evidence of owl's wing structure, the main structure of the cooperation is of develop original technology of effectively reducing trailing-edge vortex noise during flight.

Owl birds are known to capture

Purpose
In line with the fundamental research of aeroacoustics based on the scientific evidence of owl's wing structure, the main structure of the cooperation is of develop original technology of effectively reducing trailing-edge vortex noise during flight.

Owl birds are known to capture prey quickly by using only secret flight.
Possible reasons silent flight of the owl are because three kinds of wing structure that is different from other birds. The first serration structure of the leading edge, the second velvet surface at the upper wing, and the third is a fringe structure of the trailing-edge. Serration structure of the leading edge, to act as a turbulence generator, amplifying the energy of inflow boundary layer to improve aerodynamic performance by delaying separation and decreasing drag forces. Velvet surface at the upper wing, its viscoelasticity characteristic is known to weaken turbulence energy source during flight. Fringe of the trailing-edge is the same as unstable fluff structure, mixed flow can be easily grown.

This research aims to utilize hidden aerodynamic principle of the owl's wing structure to effectively control turbulent flow generated in the shear layer, and to develop source technology of airfoil noise reduction.

Contents
In this research, among the wing structure of an owl, serration and fringe structure is conducted a study of the basic principles of the noise reduction.

In the 1st year, mathematical modeling of porous material is completed and understand characteristics of vortex turbulence on a porous material by numerical analysis.

Based on this, the details of the noise reduction mechanism have been identified and secure optimized porous material DB. Implement modeling of the basic data with LPCE(Linearized Perturbed Compressible Equations) tool, completing the task of quantifying such reduction of aerodynamic noise and noise characteristics.

In the 2nd year, add serration to the leading edge of flat plate to draw vortex turbulence noise spectrum. Based on the property, found basic principle of the noise reduction mechanism and what geometric parameter affects noise reduction. Optimum serration model obtained from experiments is predicted by LPCE tool, the same as before.

R&D Results
In the 1st year, mathematical modeling of porous material was completed to understand optimum properties of porous material and characteristics of vortex turbulence by numerical analysis. Based on the property, completed the task of quantifying such reduction of aerodynamic noise and noise characteristics by LPCE tool.

In the 2nd year, the task of deduction optimal porosity and quantifying acoustic efficiency from optimized porous material DB in the 1st year was completed. Leading edge serration's shape-specific noise characteristics were understood by Drawing noise spectrum of turbulent boundary layer on a leading edge serration flat plate.

The secured flow and acoustic analysis data of the serration and porous material is to serve as a source technologies required for next generation aircraft wing design.

Expected contribution
The science research for an eco-friendly air traffic system is being expanded with the aim of reducing the noise of air traffic on urban communities. These efforts include new silent aircraft design in engine and airframe technologies. The new technologies can also be applied to other fields of action. In other words, the low-noise design inherently covers the well-defined aerodynamic performance for low-fuel consumption and low-carbon dioxide emission since turbulence being in the core of the aero-acoustic analysis also plays the major role in aerodynamics. That is, the development of silent aircraft is one of the major subjects to lead the forward technology in the next generation and to ensure the energy security and the safe air traffic.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1제 출 문 ... 2보고서 요약서 ... 2요 약 문 ... 3SUMMARY ... 5CONTENTS ... 7목차 ... 8제1장 연구개발과제의 개요 ... 11제2장 국내외 기술개발 현황 ... 12제3장 연구 개발 수행 내용 및 결과 ... 13 1절 1차년도 연구 개발 수행 내용 및 결과 ... 13 1. 다공성 물질에 대한 수학적 모델링 ... 13 2. 다공성 표면을 가진 평판의 유동소음 분석 ... 15 2절 2차년도 연구 개발 수행 내용 및 결과 ... 19 1. 다공성 표면을 가진 평판의 최적 공극률 계산 ... 19 2. 선단부 톱니 구조(serration)를 구현한 평판의 유동 소음 분석 ... 21 3절 인력 교류 성과 ... 29 1. 한-독 공동 연구 진행 실적 ... 29 2. 한-독 공동연구 관련 국제 공동 워크샾 실시 ... 31 3. 워크샾 개최 관련 사진 첨부 ... 31제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 34제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 35제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 36제7장 연구시설·장비 현황 ... 37제8장 참고문헌 ... 38끝페이지 ... 39