Experimental Investigation of a Drone Blade with a Lattice Tip = 격자 팁 드론 블레이드에 대한 실험적 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Drones are being applied in various fields, including agriculture, military, transportation, and hobbies. Despite their advantages in urban usage, a significant noise generated by drone rotors causes noise pollution in urban area, being remained as a significant challenge. Complex 3D flow structures including tip vortex were generated near the blade tip, and they are one of the primary sources of the drone noise, generating both self-noise and blade-wake interaction (BWI) noise. In this study, a blade tip with the square lattice pore is introduced and experimentally investigated. Time-resolved particle image velocimetry (TR-PIV) is employed to visualize the blade wake and the blade tip vortex, while acoustic measurements are conducted in an anechoic chamber to evaluate the aeroacoustic performance of each lattice tip design. Results reveal that the lattice tip design with smaller lattice structures can contribute to the reduction in broadband noise and weakening the tip vortex strength, while large pore size excessively relieves the pressure difference thereby diffusing tip vortices and amplifying the noise levels. By understanding both flow field and acoustic emission can deepen the understanding of small-scale rotor dynamics and provide critical design criteria for drone blade in real-world applications.

국문 초록 (Abstract)

최근 3D printing, 배터리 효율, 그리고 제어 시스템의 급격한 기술적 발전은 다양한 산업 분야에서 무인 항공기(UAV), 특히 드론의 활용 범위를 획기적으로 확장시켰다. 하지만 드론은 감시, 배송, 항공 촬영 및 레저 활동 등에서 폭넓게 사용되고 있음에도, 도심 및 인구 밀집 지역에서의 운용량 증가는 소음 공해라는 환경 문제와 밀접하게 연관되었다. 특히, 드론 로터의 블레이드 팁(tip) 근처에서 발생하는 팁 와류(tip vortex)를 포함한 복잡한 3차원 유동 구조는 공력 소음의 주된 원인으로 알려져 있으며, 이는 자체 소음(self-noise) 및 블레이드-와류 상호작용(BWI) 소음을 유발하여 드론의 도심 내 활용 범위를 저해하는 요인이 된다.
소음 저감을 위해 선행 연구들은 다양한 팁 형상 변경이나 다공성 구조를 시도해왔으나, 이는 주로 풍력 터빈이나 헬리콥터와 같은 대형 로터에 집중되어 왔다. 소형 드론 로터는 대형 로터와는 다른 공력 및 공력 소음 특성을 가지므로, 이에 특화된 연구가 필요함에도 불구하고 기존 연구들은 유동장과 음향 특성을 통합적으로 분석하지 못하는 한계를 보였다. 블레이드 후류 거동, 공력 성능, 그리고 소음 특성 간의 복잡한 상관관계를 이해하는 것은 저소음 드론 개발에 있어 중요한 의미를 갖는다. 따라서 본 연구에서는 사각 격자(square lattice) 형태의 투과성 팁을 적용한 쿼드콥터 블레이드를 도입하여, 공력 성능과 공력 소음 특성을 실험적으로 규명하고 통합적인 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 무향실 환경에서 음향 측정을 수행하여 각 격자 팁 디자인의 공력 음향 성능을 평가하였으며, 시간 분해 입자 영상 유속계(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)를 활용하여 블레이드 팁 주변의 복잡한 유동장과 팁 와류 구조를 가시화하였다.
실험 결과, 격자 구조의 크기가 작은 팁 디자인은 팁 와류의 강도를 약화시키고 광대역 소음(broadband noise) 감소에 기여할 수 있는 것으로 나타났다. 반면, 격자 크기가 과도하게 큰 경우에는 블레이드 상하면의 압력 차이를 지나치게 완화하여 팁 와류를 지나치게 소산시키고, 결과적으로 소음 수준을 증폭시키는 현상이 관측되었다. 즉, 적절한 격자 크기의 선정은 유동장 제어를 통해 소음을 억제하는 데 핵심적인 역할을 수행할 수 있음 확인하였다. 본 연구 결과는 유동장과 공력 소음 간의 상호작용에 대한 이해를 심화시키고, 실제 도심 환경에서 운용 가능한 저소음 드론 블레이드 설계를 위한 실험적 근거와 설계 기준을 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents ii
• List of Tables iii
• List of Figures iv
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background 1
• 1.2. Research objectives 3
• Chapter 2. Methodology 5
• 2.1. Drone blade design 5
• 2.2. Particle image velocimetry (PIV) 7
• 2.3. Aeroacoustic measurements 15
• Chapter 3. Flow field analysis of baseline blade 25
• 3.1. Blade wake analysis 25
• 3.2. POD results 36
• 3.3. Blade tip vortex 41
• Chapter 4. Analysis of lattice tip design 56
• 4.1. Modulation of wake structures 56
• 4.2 Tip vortex modification 60
• 4.3. Aeroacoustic characteristics 64
• Conclusion 79
• Appendix A. Convergence test for phase averaging 81
• Bibliography 87
• 국문 초록 91