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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 권기정
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수28
이 논문의 연구 히스토리 (3)
2018
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회전익기가 급격한 하강 비행을 할 때나 상승 기류를 맞닥뜨릴 때 발생할 수 있는 와류 고리 상태는 회전면 끝단에 발생하는 도넛 모양의 순환 유동을 의미하며 추력 상실로 인한 추락을 유발하기도 한다. 본 논문에서는 회전익기의 한 종류인 쿼드콥터의 하강 비행 시 발생하는 와류 고리 상태를 풍동 시험을 통해 재현하고 와류 고리 상태 전후의 유동장에 대해 가시화 및 정량적 유속 분포에 대해 연구하였다.본 저자는 회전익기의 와류 고리 상태에 영향을 미치는 여러 요인들 중 하강률과 프로펠러 간의 간격을 변수로 두었고, 이조건들이 변화할 때 쿼드콥터 주위의 유동장이 어떻게 형성되며, 와류고리가 어떻게 발달되는지 관찰하고 각 조건에 따른 유동장을 비교하였다. 쿼드콥터가 와류 고리 상태로 진입할 때의 상황을 재현하기 위해 한국항공우주연구원 1m 아음속 풍동을 이용해 하강 비행을 모사했으며, 쿼드콥터의 다양한 하강 비행 상황을 풍동을 통해 구현 할 수 있도록 이에 알맞은 모델 지지대를 설계하고 제작했다. 또한 풍동 내 풍속을 조절하여 시험부의 자유 흐름 속도를 변경하였다. 본 논문에서하강률은 자유 흐름 속도를 정지 비행 상태일 때의 유도속도로 나눈 무차원 수를 의미하며, 풍동 시험에 앞서 쿼드콥터의 정지 비행 상태일 때의 회전수를 예측하고 그때의 유도속도를 계산하기 위해 쿼드콥터의 무게와 운동량 이론을 이용했다. 또한 쿼드콥터 주위의 유동장측정을 위해 입자 영상 유속계(Particle Image Velocimetry)를 이용했다. 실험 모델은 Nine Eagels사에서 제조된Galaxy Vistor 6로 프로펠러 한 개의 반지름은 80mm, 허브 사이의 간격은 170mm, 무게가93.2g인 소형 쿼드콥터이다. 쿼드콥터의 프로펠러 간의 간격이 와류 고리 상태에 미치는 영향에 대해 실험하기 위해서 프로펠러 간의 간격을 조절해주는 추가적인 구조물을 제작하고 기존 모델을 개조해 본 연구를 진행했다. 프로펠러 간의 간격을 조절할 때 마다 측정 영역의 크기를 변경해가며 측정 영역에 측정하고자 하는 두 프로펠러가 전부 나오도록 하였으며, 프로펠러 간의 간격에 따라서도 하강률을 변경해가며 와류 고리가 어떻게 발달되고 이동하는지에 대해 관찰했다. 프로펠러 간의 간격을 고정한 채로 하강률에 따라 쿼드콥터 주위 유동장을 측정하여 비교한 결과, 하강률 0.6이전에는 와류 고리가 관찰되지 않거나 프로펠러 하부에 와류로서 존재하였으나 하강률 0.6일 때부터는 와류가 본격적으로 프로펠러 끝단으로 올라와 와류 고리를 형성하였다. 그보다 더 높은 하강률에서는 와류 고리가 두 프로펠러의 상부 쪽으로 치우친 타원 형태로 발달하는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 두 프로펠러 끝단의 와류 유동이 프로펠러 상부로 올라갔을 때, 프로펠러 사이 간극에서도 와류 유동이 관찰되기 시작했다. 쿼드콥터의 중심으로부터 반지름만큼 떨어진 특정 구간에서의 유속 값을 그래프로 그려본 결과 와류 고리 상태 이전의 유속 값과 와류 고리 상태 이후의 유속 값이 큰 차이를 보였고 이를 통해 유속 측정을 통해서도 와류 고리 상태를 예측할 수 있음을 확인하였다. 프로펠러 간의 간격에 따른 쿼드콥터 주위 유동장을 비교한 결과, 같은 하강률일 때, 프로펠러간의 간격이 멀어질수록 와류 고리 상태에 더 빨리 진입하며 하강률이 증가하더라도 더 오랫동안 프로펠러 근처에 와류 고리의 중심이 머무는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 넓어진 프로펠러 간극에서 발생하는 와류 현상 때문으로 예상할 수 있으며 이를 통해 와류 고리 상태를 예방하기 위해선 적절한 프로펠러 간의 간격 선정이 필요함을 확인하였다.
목차
목 차제1장 서론 ······························································································11.1 연구 배경 ·······················································································11.2 연구 목적 ·······················································································31.3 논문 구성 ·······················································································4제2장 실험 기법의 배경이론 ·····························································62.1 운동량 이론 ·················································································62.2 와류 고리 상태·············································································8가. 축 방향 비행 조건에서의 로터의 4가지 운용 상태 ··········· 8나. 축 방향 비행에서의 와류 고리 상태 ·····································9다. 와류 고리 상태 영역에 영향을 미치는 요소 ···················10제3장 실험 장치 및 실험 방법 ·······················································133.1 아음속 풍동 ·················································································133.2 풍동 시험용 모델 및 지지대················································· 14가. 풍동 시험용 모델 지지대····················································· 14나. 풍동 시험용 모델 선정···························································15다. 프로펠러 간 간격 조절 장치 ··············································· 153.3 회전수 측정 및 모델 운용 방법 ·············································17가. 프로펠러의 회전수 측정 방법 ····················································17나. 프로펠러의 회전수 제어 방법 ·············································193.4 추력 측정 방법···········································································203.5 시험부 풍속 조절 방법·····························································223.6 입자 영상 유속계의 이론 및 장치 구성 방법 ·····················23가. 입자 영상 유속계의 종류·······················································23나. 추적입자·····················································································25다. 레이저·························································································26라. 평면광(Laser Light Sheet) 광학 장치································27마. 카메라(CCD Camera) ·····························································28바. 동기제어기·················································································29사. 입자 영상 유속계 장치 구성 ·················································30아. 교정 방법 및 좌표계·······························································33제4장 불확도 분석 ············································································344.1 불확도 분석 개요 ··········································································344.2 입자 영상 유속계에서의 불확도 계산 ·········································35제5장 실험 결과 및 분석 ·································································375.1 하강률에 따른 쿼드콥터 주위의 유동장·······························37가. 하강률에 따른 유속 Contour 값··········································37나. 특정 구간에서의 유속 그래프···············································385.2 프로펠러 간 간격에 따른 쿼드콥터 주위 유동장···············47가. 프로펠러 간 간격에 따른 유속 Contour 값 ···················· 47나. 특정 구간에서의 유속 그래프···············································49제6장 결론 ····························································································63참고문헌 ································································································65
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