곤충 비행에서 날개 형상과 날갯짓이 공력효율에 미치는 영향 = Effects of Wing Shape and Flapping Motion on the Aerodynamic Efficiency in Insect Flight

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 곤충의 비행에서 날개의 형상과 날갯짓이 공기역학적 힘 생성과 와류 구조에 미치는 영향을 제자리비행과 전진 비행에서 조사한 것이다. 수조에서 3차원 날갯짓 로봇을 사용하여 공기역학적 힘 측정과 날개 주변 흐름 가시화를 수행했으며 공력효율을 비교하기 위해 각각의 실험에서 양항비를 도출하였다. 제자리비행 실험에서는 호박벌, 박각시나방, 벌새의 제자리비행 날갯짓과 각각의 날개 형상을 교차 조합한 9가지 Case에 대하여 수행하였다. 서로 다른 3개의 날개 형상을 동일한 날갯짓에 적용한 경우 양항비 차이는 평균 2.7%였으며, 본 연구에서 사용한 날개의 가로세로비와 날개 면적분포 범위 내에서 날개 형상에 따른 공기역학적 효율은 유사했다. 그러나 동일한 날개 형상에 서로 다른 3가지 날갯짓을 적용하였을 때 서로 다른 날갯짓 간 평균 34.3%의 양항비 차이를 보였다. 세 가지 서로 다른 날갯짓에서 스트로크 속도와 날개 회전 움직임 차이에 따라 공기역학적 성능이 크게 변화했으며 와류의 형상에 큰 차이를 보였다. 또한 3가지 서로 다른 날개 형상에서 동일한 날갯짓을 적용했을 때 평균 동력효율 차이는 4.9%였으나, 동일한 날개 형상에 서로 다른 3개의 날갯짓을 적용한 경우 동력효율의 차이는 평균 43.7%였다. 전진 비행 실험은 제자리비행 실험과 방법은 동일하지만, 전진비 차이에 의한 27 Case의 실험을 수행했다. 전진 비행 실험 결과도 날개 형상에 비해 날갯짓의 영향이 보다 큰 것으로 나타났다. 전진비 변화는 날갯짓에 따라 다르게 나타났으며 호박벌 날갯짓의 경우 전진비를 J=0에서 J=0.35로 증가시켰을 때 양항비가 59.4% 감소하였고, 박각시나방 날갯짓에서는 39.9% 감소했다. 반면 벌새 날갯짓에서는 J=0-0.35 범위에서 양항비 변화가 크지 않았으며, 이는 각각의 날갯짓에서 전진비에 따른 날갯짓 변화에 차이가 있음을 보여준다. 일부 실험 Case에서 날개 형상에 의한 양항비 차이가 다르게 나타났다. 이것은 날갯짓에 따라 유연 날개의 변형이 다르게 발생한 것으로 날갯짓을 조절함에 따라 유연 날개 휨에 의한 공력 발생이 달라질 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같은 결과는 곤충의 비행에서 날개의 형상보다는 날갯짓이 공기역학적 성능 및 효율에 미치는 영향이 더 큰 것을 보여준다. 가시화 결과도 동일한 날개 형상에 서로 다른 날갯짓을 적용했을 때 와류 구조가 크게 달라짐을 보여주었다. 본 연구의 결과는 날갯짓 비행체 개발 시 날갯짓 연구의 중요성을 시사하며, 초소형 날갯짓 비행체 개발 시 유용한 기본자료로 활용할 수 있을 것이다. 또한 유연 날개의 휨을 고려한 날갯짓을 개발한다면 보다 효율적인 비행이 가능한 날갯짓 비행체를 제작할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 및 방법 6
• 제2장 이론적 배경 8
• 2.1 곤충 날갯짓 양력 발생 메커니즘 9
• 2.1.1 실속지연(Delayed stall) 9
• 2.1.2 날개-후류 상호작용과 회전순환 11
• 2.1.3 부가질량(Added mass) 효과 12
• 2.2 유체 파라미터 13
• 2.2.1 레이놀즈수(Re) 15
• 2.2.2 전진비(J ) 17
• 2.3 곤충 날개 형상 20
• 2.3.1 가로세로비(AR) 22
• 2.3.2 날개 면적 분포(Wing area distribution) 23
• 2.3.3 날개 유연도(Wing flexibility) 24
• 2.4 날갯짓(kinematics) 26
• 제3장 실험장치 및 방법 29
• 3.1 공기역학적 힘 측정 29
• 3.1.1 수조실험장비 29
• 3.1.2 공력 데이터 추출 31
• 3.2 날개 형상 효과 실험 35
• 3.3 호박벌, 박각시나방, 벌새 날개-날갯짓 교차실험 39
• 3.3.1 제자리비행, 전진비행 실험 Case 39
• 3.3.2 호박벌, 박각시나방, 벌새 날갯짓 42
• 3.4 디지털 입자 이미지 속도 측정(DPIV)을 통한 흐름 시각화· 47
• 제4장 결과 및 토론 49
• 4.1 날개 형상 효과 49
• 4.2 호박벌, 박각시나방, 벌새 날개-날갯짓 교차 실험 54
• 4.2.1 날개와 날갯짓에 따른 공력 특성 54
• 4.2.2 동력효율 비교 60
• 4.2.3 DPIV 가시화 63
• 4.3 전진비행에서 날개-날갯짓 공력 특성 68
• 4.3.1 공력측정 결과 68
• 4.3.2 DPIV 가시화 75
• 4.3.3 날개형상과 전진비에 따른 양항비 비교 88
• 제5장 결 론 96
• 5.1 연구결과 96
• 5.1.1 날개 형상 및 날갯짓의 영향 96
• 5.1.2 전진비의 영향 97
• 5.2 연구의 한계 및 향후 연구과제 98
• 참 고 문 헌 100
• ABSTRACT 106
• 부 록 109