유인드론용 프로펠러 생체모사 익형의 공력 및 소음 특성에 대한 연구 :

이근표

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이근표 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수: 이승배

발행연도: 2019

저작권: 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

유인드론용 생체모사 익형의 공력 및 소음특성에 대한 연구

이근표 , 김수정 , 염태영 외 1명 한국유체기계학회 논문집 2020.12 학술저널

2019

유인드론 용 생체모사 프로펠러 익형의 공력 및 소음 특성에 대한 연구

이근표 , 김수정 , 염태영 외 2명 한국유체기계학회 학술대회 논문집 2019.07 학술대회자료

유인드론용 프로펠러 생체모사 익형의 공력 및 소음 특성에 대한 연구

이근표 건설기계공학과 2019.01 학위논문

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본 논문은 유인드론용 생체모방 프로펠러 익형의 공력 및 소음 특성에 관한 연구이다. 4차 산업혁명 시대의 드론은 입체적 영상 정보 제공과 물류 혁신의 핵심 산업으로 부상하고 있다. 또한 중국의 이항, 미국의 우버, 독일의 볼로콥터 등을 중심으로 이동수단의 혁신이 될 유인드론에 대한 개발이 가속되고 있다. 유인드론용 프로펠러의 공력과 소음은 이동 수단의 안전성 및 시장 확보에 직결되는 문제이므로 이에 대한 철저한 연구가 선행되어야 한다. 본 연구에서는 상용 익형과 생체모방 독수리 익형의 기본적인 공력 및 소음 특성을 전산유체역학 해석과 풍동실험을 통해 분석한 후, 이를 바탕으로 유인드론용 프로펠러 설계에 적용하여 고정 비행 상태에서의 추력 성능과 공력 소음을 측정하였다. 또한 실제 Payload 390kg 급 유인드론용 프로펠러의 최적 설계를 제안하였다. 1단계로 다양한 익형주위의 2차원 유동 해석을 전산유체역학 상용해석코드인 Fluent 19.0으로 정상상태와 비정상상태 해석을 수행하여 측정 결과의 보정용으로 활용하였고 이를 바탕으로 여러 익형의 다양한 입사각에 따른 양력계수를 무향풍동 내에서 측정·비교하였다. 2단계로는 선정된 익형을 유인드론용 직경 1.5m의 프로펠러 설계에 적용하여 전산유체역학 상용해석코드인 CFX 19.0으로 프로펠러의 공력 특성을 해석하였으며 3D Printer로 제작한 프로펠러 날개의 추력 성능과 공력 소음을 측정하여 비교하였다. 2D 익형의 유동해석 및 풍동실험 결과 생체모방 독수리 익형은 동일 두께/코드비의 상용 익형에 비해 최대 양력계수 64% 높음을 확인하였다. 유인드론용 프로펠러 적용 시 동일 회전수에서 독수리 익형 기반 모델의 전진비는 0.31, NACA 기반 모델의 전진비는 0.24로 payload 관점에서 독수리 익형 기반 모델이 NACA 익형 기반 모델보다 28% 높은 성능을 나타내었다. 동일 추력조건에서 음압 레벨 측정결과 독수리 익형을 적용한 모델이 낮은 레벨값을 보였다. 본 연구는 유인드론 산업에 필수적인 기초 설계자료 및 향후 응용설계에 활용될 것으로 여겨진다.

This research aims on the aerodynamic and the noise characteristics of bio-mimetic propeller for a manned drone. The fourth industrial revolution drives drone industries in an effort to provide 3D image informations and logistic services. The manned drones, which now becomes an emerging transportation solution, have been developed by Ehang(China), Uber(U.S.A) and Volocopter(Germany) and etc. The aerodynamic performance and noise characteristics of manned drone propellers are directly related to the transportation safety and the market stability of the new transportation. In this study, the essential aerodynamic and noise characteristics of the standard and biomimetic eagle airfoils are analyzed by using both analysis of computational fluid dynamics and wind tunnel experiment. From the forementioned analysis thrust performance and noise characteristics were measured and calibrated for the hovering flight condition by applying the bio-mimetic airfoil to the design of the propellers of the manned drone. The optimal design of the propellers for payload of 390kg for the manned drone is performed. In the first stage, two-dimensional flow analysis of the airfoils by using the CFD software of Fluent I9.0 for steady and unsteady conditions are performed to calibrate the lift coefficients measured in the anechoic wind tunnel for a certain range of angle of attack for the airfoils. In the second phase of research, the bio-mimetic airfoil is applied to the propeller design of 1.5m diameter for manned drone in order to provide the payload of 390kg. The aerodynamic characteristics of the propeller blades are analyzed by using the commercial software of CFX 19.0, and the thrust performance and the noise characteristics of the rotor of two propeller blades made by a 3D printer are measured and compared with the CFD results. Both of CFD analysis and wind tunnel experiment are result that the eagle airfoil of optimal angle of attack have a maximum lift coefficient by 64% higher than the standard airfoil of the same thickness-to=chord ratio. When applied to the rotor of the propellers for the manned drone, the eagle-mimetic model airfoil model shows 28% higher performance than the NACA airfoil based model from a payload perspective. The sound pressure level measurement under the same thrust conditions showed a lower level of for the model with the eagle airfoil. This study is believed to be used in basic design materials and future application design essential to the manned drone industry.

#생체 모방 #익형 #프로펠러 #공력 #전산유체역학 #공력 소음

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 배경 및 목적 1
2. 연구 방법 4
Ⅱ. 본 론 5
1. 유인드론용 프로펠러와 익형 5
1.1 익형의 기하학적 구조 5
1.2 익형의 공력 특성 6
1.2.1 양력과 양력 계수 7
1.2.2 항력과 항력 계수 7
1.2.3 유동 박리 8
1.3 익형의 소음 특성 9
1.4 생체모방 익형의 특징 11
1.5 프로펠러 공력 이론 12
1.5.1 운동량 이론 12
1.5.2 깃요소 이론 14
1.5.3 프로펠러의 무차원 수 15
1.6 프로펠러 소음 16
2. 익형의 수치 해석 및 실험 17
2.1 수치 해석 기법 17
2.1.1 형상 모델링 17
2.1.2 지배 방정식 19
2.1.3 난류 모델 19
2.1.4 격자 및 경계 조건 설정 23
2.2 익형 공력 소음 해석 25
2.3 익형 정상상태 해석 결과 27
2.4 익형 비정상상태 해석 결과 30
2.5 익형의 실험적 연구 31
2.5.1 실험장비 구성 31
2.5.2 익형 실험 결과 38
3. 유인드론용 프로펠러 수치 해석 43
3.1 형상 모델링 43
3.2 격자 및 경계 조건 설정 48
3.3 프로펠러 유동 해석 결과 50
4. 유인드론용 프로펠러 정지 비행 실험 53
4.1 실험장비 구성 53
4.2 프로펠러 성능 실험 결과 56
4.3 프로펠러 소음 실험 결과 58
Ⅲ. 결 론 63
참고문헌 65

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