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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이승수
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2016
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본 연구에서는 유연 날개를 갖는 날개짓 비행체에 대한 해석을 위한 효율적인 공탄성 해석 체계 개발에 대한 연구를 수행하였다. 날개짓에 따른 비정상 유동의 해석을 위한 공력 모델로 RBF(Radial basis function) 내삽법에 기반한 변형격자 기법이 적용된 3차원 URANS (Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 적용하였다. 또한, 공기력에 의한 구조 변형을 모사하기 위한 구조 모델로 기하학적 정밀 보(Geometrically exact beam) 모델과 co-rotational (CR) framework에 기반한 shell 모델을 적용하였다. 공력 모델과 구조 모델의 결합 기법으로는 해석의 효율성 및 정확성을 보장할 수 있는 수정된 내재적 결합 기법(modified implicit coupling method)을 개발하여 적용하였다.
해석 프로그램의 검증은 변형 격자 기법에 대한 검증과 공탄성 해석 체계의 검증으로 나누어 진행하였다. 변형 격자 기법에 대한 검증을 위해 날개의 비정상 pitch, plunge 운동에 대한 해석을 수행하였다. 또한, 공탄성 해석 체계에 대한 검증을 위해 2차원 실린더와 교량 상판(bridge deck)의 공탄성 해석을 수행하였다. 그 결과 풍동 시험 및 선행 연구자들의 수치해석 결과와 비교하여 만족할만한 결과를 얻을 수 있었다.
검증된 공탄성 해석 체계를 적용하여 plunge 운동과 1자유도 flapping 운동을 하는 날개짓 날개에 대한 3차원 비정상 공탄성 해석을 수행하였다. Plunge 운동을 하는 날개짓 날개에 대한 연구는 University of Bath의 Gursul 교수팀이 수행한 시험 연구에 기반한다. 또한 flapping 운동을 하는 날개짓 날개에 대한 연구는 Wu 등에 의해 수행된 1자유도 flapping 운동을 하는 날개에 대한 시험 연구에 기반한다. 모든 해석 사례에서 결합의 주기에 대한 수렴성 연구(convergence test)를 수행하고, 해석 효율성 및 정확도를 보장할 수 있는 결합 주기를 정한 후 수치해석을 진행하였다. 공탄성 해석의 결과는 시험을 통해 알려진 공력 성능 및 날개 주변 유동 구조의 비교를 통해 검증하였으며, 풍동 시험 결과 및 선행 연구자들의 수치해석 결과와 비교하여 잘 일치하는 것을 확인하였다. 특히 수정된 내재적 결합 기법은 계산 정확도를 확보하면서도 계산 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 기법임이 확인되었다.
해석 프로그램의 검증은 변형 격자 기법에 대한 검증과 공탄성 해석 체계의 검증으로 나누어 진행하였다. 변형 격자 기법에 대한 검증을 위해 날개의 비정상 pitch, plunge 운동에 대한 해석을 수행하였다. 또한, 공탄성 해석 체계에 대한 검증을 위해 2차원 실린더와 교량 상판(bridge deck)의 공탄성 해석을 수행하였다. 그 결과 풍동 시험 및 선행 연구자들의 수치해석 결과와 비교하여 만족할만한 결과를 얻을 수 있었다.
검증된 공탄성 해석 체계를 적용하여 plunge 운동과 1자유도 flapping 운동을 하는 날개짓 날개에 대한 3차원 비정상 공탄성 해석을 수행하였다. Plunge 운동을 하는 날개짓 날개에 대한 연구는 University of Bath의 Gursul 교수팀이 수행한 시험 연구에 기반한다. 또한 flapping 운동을 하는 날개짓 날개에 대한 연구는 Wu 등에 의해 수행된 1자유도 flapping 운동을 하는 날개에 대한 시험 연구에 기반한다. 모든 해석 사례에서 결합의 주기에 대한 수렴성 연구(convergence test)를 수행하고, 해석 효율성 및 정확도를 보장할 수 있는 결합 주기를 정한 후 수치해석을 진행하였다. 공탄성 해석의 결과는 시험을 통해 알려진 공력 성능 및 날개 주변 유동 구조의 비교를 통해 검증하였으며, 풍동 시험 결과 및 선행 연구자들의 수치해석 결과와 비교하여 잘 일치하는 것을 확인하였다. 특히 수정된 내재적 결합 기법은 계산 정확도를 확보하면서도 계산 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 기법임이 확인되었다.
목차
초록 iAbstract iii목차 v그림 목차 viii표 목차 xiii기호 xiv제 1 장. 서론 11.1. 날개짓 초소형 비행체(Flapping Wing Micro Air Vehicle, FWMAV) 11.2. 날개짓 초소형 비행체 연구의 직면 과제 51.2.1. 공기역학적 측면 51.2.2. 구조 및 공력 탄성학적 측면 61.3. CFD와 CSD를 결합한 공탄성 해석 체계 81.4. 연구 개요 10제 2 장. CFD/CSD 관련 이론 122.1. 공력 해석 모델 122.1.1. Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) 방정식 122.1.2. 난류 모델 방정식 142.1.3. 국소 예조건화 기법을 적용한 URANS 방정식 192.2. CFD 수치 해석 기법 212.2.1. 공간 이산화 기법 212.2.2. 비점성 유속 벡터 수치 해석 기법 232.2.3. 점성 유속 벡터 수치 해석 기법 272.2.4. 시간 적분법 302.3. 구조 해석 모델 342.3.1. 기하학적 정밀 보(Geometrically exact beam, GEB) 모델 342.3.2. CR framework에 기반한 쉘 유한 요소 해석 37제 3 장. 변형 격자 기법 393.1. RBF interpolation을 이용한 변형 격자 기법 393.1.1. Greedy 알고리듬 423.2. 기하학적 보존 법칙 (Geometric conservation law) 453.3. 변형 격자 기법을 적용한 수치 예제 473.3.1. Deep stall problem ? NACA0012 pitching oscillation 473.3.2. NACA 0012 rigid plunge 56제 4 장. 공탄성 해석 체계 604.1. CFD-CSD 결합 기법 604.1.1. 내재적 결합 기법과 외재적 결합 기법 604.1.2. 수정된 내재적 결합 기법 634.1.3. CFD-CSD interface 구성 684.2. 공탄성 해석 체계 검증 714.2.1. 탄성 지지된 실린더의 와류 유발 진동 [59] 714.2.2. 교량 단면의 플러터 [63] 78제 5 장. 유연 날개짓 날개에 대한 공탄성 해석 885.1. 스팬 방향의 유연도를 갖는 3차원 날개의 plunge 운동에 의한 공탄성 해석 895.1.1. 해석 조건 895.1.2. 해석 결과 975.2. 1자유도 flapping 운동을 하는 실제적 곤충형 날개에 대한 공탄성 해석 1125.2.1. 해석 조건 1125.2.2. 해석 결과 116제 6 장. 결론 및 향후 과제 130참고 문헌 133부록 142
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