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곤충 날갯짓 비행의 비정상 공력 특성에 대한 수치적 연구
작성자 관리자 등록일 2012.10.15 조회수 2303
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곤충 날갯짓 비행의 비정상 공력 특성에 대한
수치적 연구


서울대학교 이근배, 삼성종합기술원 김진호, 서울대학교 김종암

 



최근 세계 각국에서는 곤충과 같은 생물체의 산업적, 경제적, 과학적 측면에서 관심이 고조되면서 다양성이 풍부한 곤충을 하나의 자원으로 인식하고 활용하려는 경쟁이 치열해지고 있으며, 이러한 일환으로 곤충의 가치를 재평가하고 이용하려는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 특히 항공우주 관련 분야에서는 곤충이나 새의 비행 메커니즘 밝혀내고, 이를 실제 비행기에 적용하고자 하는 노력을 기울여왔다.

 

과거 곤충비행의 해석에는 일반적인 항공기에 적용되는 정상상태 공기역학이 이용되었지만, 이를 통해서는 곤충비행에서 발생되는 충분한 크기의 양력을 얻어내지 못했다. 근래 들어 곤충의 날갯짓을 모사할 수 있는 기계장치나, 고속카메라를 활용한 유동가시화 기법, 그리고 전산유동해석기법 등의 발달로 양력증가를 설명할 수 있는 여러 가지 비정상(unsteady) 메커니즘들이 제안되었다.

여러 연구자들의 노력으로 밝혀진 비정상 메커니즘들은 곤충의 양력발생에 관해 과거에는 알지 못했던 많은 사실들을 알려주지만, 대부분이 제자리비행 (hovering flight) 중인 곤충의 양력증가에 관한 연구들이므로 전진비행이나 곤충비행의 특징인 급격한 기동을 설명하기에는 매우 제한적이다. 또한 날개의 유연성을 고려하지 않은 연구가 대부분이기 때문에, 생체모방 비행체의 복잡한 비행 특성을 정밀하게 분석하는데 한계가 있다.

본 연구에서는 선행 연구 결과인 2차원 해석 결과[1]를 바탕으로, 2차원 유체-구조 연성 해석[2]을 통해 유연성이 공력특성에 미치는 영향을 비교 분석하고, 3차원 해석[3]을 통해 와류의 복잡한 구조와 와류-와류 및 와류-날개의 상호작용을 분석한다.
 

 


검정금파리 날개 운동의 2차원 유체-구조 연성 해석


검정금파리 날개 운동 모델은 Nachtigall이 전진 비행 모사 실험을 통해 얻은 날개 궤적 데이터를 사용하였으며, 에어포일 형상은 실제 검정금파리의 날개 형상을 바탕으로 모델링하였다.

 

 

날개의 구조 물성치 분포에 따른 유동장 특성 및 공력 특성을 분석하기 위하여 세 가지 타입의 에어포일을 모델링하였다. 에어포일 전체를 강체로 가정한 경우, 물성치 분포를 선형으로 가정한 경우, 균일한 분포로 가정한 경우이다.
 

검정금파리의 전진 모사비행에 대하여 2차원 유체-구조 연성해석을 수행한 결과, 강체 해석에서와 마찬가지로 양력은 주로 하향날갯짓에서 발생하고, 추력은 주로 상향날갯짓에서 발생하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 앞전와류 (leading edge vortex), 와류 짝 현상 (vortex pairing) 등과 같은 대표적인 유동현상이 거의 유사하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

 

 

강체와 유연한 에어포일의 양력과 추력계수는 정성적으로 비슷하지만, 국부적으로 다르게 나타난다.

 

이는 그림 1에서와 같이 유연한 에어포일의 구조변형으로 인한 유효 받음각의 크기 변화와 힘 벡터의 방향 변화 때문이다.

세 가지 에어포일 사이의 공력계수 값들을 시간 평균값으로 구해 보면 추력계수와 추력 효율성의 경우 선형 분포 에어포일에서 가장 높게 나타나며, 강체 에어포일에 비해 32.7%와 33.1%가 증가된 값을 나타낸다.

이러한 결과를 통해서, 선형 분포 에어포일이 전진 비행과 같이 높은 추력 성능을 요구하는 급격한 기동 비행에 가장 유리하다고 결론지을 수 있다.





검정금파리 날개 운동의 3차원 해석

3차원 해석 연구 역시 Nachtigall이 전진 비행 모사 실험을 통해 얻은 날개 궤적 데이터를 사용하였다. 날개의 단면은 두께가 평균 시위에 5%인 평판으로 가정하였다. 3차원 해석을 위한 격자계는 격자점이 약 610만개 정도로 구성되어 있고, 격자계는 총 6개의 블록으로 구성되어 있다.


그림 2는 3차원 해석을 통해 얻은 두 주기 동안의 양력, 추력 곡선 분포를 나타낸다. 그림에서 나타내는 바와 같이, 양력은 주로 하향날갯짓에서 추력은 추로 상향날갯짓에서 발생함을 확인할 수 있다. 이는 2차원 해석 결과[1]와 동일한 결과로 전반적인 유동 패턴은 상당히 유사하다고 할 수 있다. 대표적으로 3차원 해석 결과에서 나타나는 차이점은, 하향날갯짓에서 양력곡선이 2차원 해석 결과보다 완만한 곡선을 그린다는 점이다.



이는 그림 3과 같이 날개 길이 방향 유동이 앞전와류와 날개 끝 와류를 결합하게 하여, 분리를 지연시키기 때문이다. 3 차원 유동해석에 나타나는 특이점은 와류의 구조가 와류 환의 형태로 나타난다는 점이다. 병진운동이 주를 이룰 때에는 각 와류의 방향이 일치하여 완전 와류 환 (PVR, perfect vortex ring) 또는 완전 와류 관(PVT, perfect vortex tube)의 형태를 나타내게 되며, 회전 운동이 주를 이룰 때에는 와류의 방향이 모두 일치하지 않는 불완전 와류 환(IPVR, imperfect vortex ring)의 형태를 띠게 된다.

2차원 해석에서 대표적인 추력발생 메커니즘으로 관찰된 와류 짝 현상은 3차원 해석에서 동일하게 관찰되었으며 유동 형태는 훨씬 복잡하게 나타난다. 와류 환 사이의 상호작용인 와류 짝 현상을 통해 상향날갯짓 끝부분에서 추력이 증가함을 재확인 할 수 있다.






결론

검정금파리 날개의 유연성 효과에 대한 연구와 3차원 고정밀 유동구조 해석 연구는 날갯짓 곤충의 비정상 공력 발생 메커니즘을 이해하고, 설명할 수 있는 중요한 단서가 될 것으로 생각된다. 덧붙여 이러한 연구 성과를 바탕으로 가까운 시일에 파리와 같이 작으면서도 뛰어난 비행특성을 가진 곤충의 비행 메커니즘에 대한 이해를 통해, 효율적이고 안정적인 비행성능을 가진 초소형 비행체를 설계/개발할 수 있을 것으로 기대한다.

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