초록 ▼

□ 연구개요
드론과 수직축 풍력발전기(Vertical axis wind turbine, 이하 VAWT)에 사용되는 회전익의 공력 성능 향상을 위한 생체모방 설계 개념을 확립 및 응용하여, 높은 공력성능을 가지는 새로운 회전익 형상을 제시하고자 한다.
▶ 국소 생체모방 유동제어 장치의 적용을 통한 드론(정지/전진 비행 조건) 및 VAWT(고정/회전 조건)의 성능 증대
▶ 생명체의 날개나 지느러미의 형상을 모방한 새로운 회전익 형상 디자인
▶ 국소 생체모방 유동제어 장치와 생명체 날개/지느러미 형상을 결합한 신개념

□ 연구개요
드론과 수직축 풍력발전기(Vertical axis wind turbine, 이하 VAWT)에 사용되는 회전익의 공력 성능 향상을 위한 생체모방 설계 개념을 확립 및 응용하여, 높은 공력성능을 가지는 새로운 회전익 형상을 제시하고자 한다.
▶ 국소 생체모방 유동제어 장치의 적용을 통한 드론(정지/전진 비행 조건) 및 VAWT(고정/회전 조건)의 성능 증대
▶ 생명체의 날개나 지느러미의 형상을 모방한 새로운 회전익 형상 디자인
▶ 국소 생체모방 유동제어 장치와 생명체 날개/지느러미 형상을 결합한 신개념 회전익 개발과 공력성능 향상

□ 연구 목표대비 연구결과
▶ 기존 회전익의 제품에 대한 선행설계 및 공력성능 측정
● DJI사의 9450s 프로펠러를 3D 스캔하여 역설계 함. 정지/전진 비행 조건에서 드론 회전익의 공력성능과 효율을 측정 할 수 있는 장치를 개발
● Aeolos Wind Energy사의 Aeolos-V 제품의 익형을 비교, 분석하여 유사한 익형을 가진 NACA0018로 회전익을 역설계함. 고정/회전 조건에서 VAWT의 공력성능과 효율을 측정할 수 있는 장치를 개발
▶ 기존 회전익 주위 유동특성 분석 및 손실유동 파악
● 드론
→ 정지 비행 시 나선형의 익단 와류가 하류로 떠내려가는 것이 명확히 관측됨. 평균적으로 블레이드 표면에서 유동 박리가 발생하지 않음
→ 전진 비행 시 전진비에 따라 익단 와류의 발달 형태가 다르며 고속 전진 비행의 경우 복잡한 3차원의 구조로 변형됨. 전진 면(advancing side)의 경우 날개의 후단에서 유동이 박리됨
● VAWT
→ 고정 조건에서 후류 쪽에 가까운 블레이드의 전단 주변에 일어난 유동 박리가 블레이드의 항력을 크게 증가시켜 자시동에 도움을 줌
→ 블레이드가 회전함에 따라 발생하는 전단 와류가 가장 지배적인 유동 구조에 해당하며 상류에 위치한 블레이드에서 발생한 후류가 하류에 위치한 블레이드와 상호작용하는 현상이 관찰되고 이에 따른 출력 손실 또한 확인함
▶ 생명체 특징형상을 적용한 새로운 회전익 형상 개발 및 원리 규명
● 드론
→ 깃 요소 운동량 이론과 유전 알고리즘을 이용하여 형상 최적화를 수행하여 기존 프로펠러에 비해 2.1% 향상된 성능을 가지는 형상을 도출해냄
→ 혹등고래 지느러미 발 형상을 모방한 구조를 블레이드 전단에 적용하여 전진비 약 0.2에서 동력하중이 기본모델에 비해 약 9% 증대되는 것을 확인
● VAWT
→ 새 날개의 윗겹깃털을 모방한 장치인 Automatic movable deflector (AMD)를 이용하여 블레이드 전단에서 발생하는 강한 와류 형성을 억제하였고 주속비 0.8에서 출력계수가 기존보다 약 55% 증가함
→ 가리비 조개 립 구조를 모방한 종방향 스트립을 블레이드 표면에 적용하여 최적의 파라미터에서 주속비 1.8 기준 출력계수가 기존보다 약 59% 증가함

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구에서는 기존의 드론과 VAWT의 회전익이 가지는 복잡한 유동특성과 손실유동을 파악하고 생체모방공학적 설계방법을 통하여 이와 비슷한 Reynolds 수의 유동을 가진 생명체의 장점을 모방, 적용함으로써 혁신적이고 창의적인 디자인의 신개념 회전익을 제시하였다. 이를 통해 회전익의 공력성능 향상을 위한 생체모방 설계의 개념을 확립하였으며 설계 과정에서 개발한 고정밀 실험 및 수치해석 시스템은 드론과 VAWT 뿐만 아니라 다른 여러 가지 회전익 주위의 유동 특징을 밝히는데 응용할 수 있다. 따라서 본 연구는 드론과 VAWT 관련 기술 및 산업 경쟁력을 획기적으로 높일 수 있다는 것과 더불어 그 과정에서 회전하는 물체 주위의 유동 특성을 파악할 수 있는 장치를 개발, 다른 분야에 응용 가능하다는 점에서 의미있다고 할 수 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 가. 기존 회전익 제품에 대한 선행설계와 공력성능 측정 ... 5
• 나. 기존 회전익 주위 유동특성 분석 및 손실유동 파악 ... 7
• 다. 생명체 특징형상을 적용한 새로운 회전익 형상 개발 및 성능 검증 ... 12
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 19
• 대표적 연구실적 ... 31
• 끝페이지 ... 46