에어포일의 플러터 현상을 이용한 에너지 수확 장치의 타당성

이병철,김영진,김태형,김지현,박지민,오동호 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.1

플러터는 비행기 날개와 같은 구조물에서 풍하중에 의해 유도되는 공력 불안정 현상이다. 플러터 현상은 다리와 같은 거대한 구조물을 파괴할 만한 큰 진동을 유발할 수 있지만 플러터 현상을 이용하면 충분한 양의 전기 에너지를 얻는 것도 가능할 것이다. 본 연구에서는 낮은 풍속에서 풍향과 관계없이 플러터 현상을 발생시키는 에어포일 형상의 에너지 수확 장치를 제안하고 가능성을 확인한다. 제작된 에너지 수확 장치에서 플러터 발생을 확인하기 위해 에어포일의 받음각이 임계각보다 작게 제한하여 풍동실험을 진행하였다. 플러터 속도는 풍동 실험으로부터 장치의 감쇠 계수를 추출하여 계산한다. 그리고 에너지 수확 장치의 일률은 플러터 속도와 에어포일의 변위를 기반으로 예측한다. Flutter is an aerodynamic instability caused by fluid force in structures such as aircraft wings. As a result, a large displacement vibration is induced that may cause failure in massive structure like bridges. However, it may also be possible to obtain a large amount of electronic energy from the flutter. In this study, an airfoil-shaped energyharvesting device that generates flutter at low wind velocity, regardless of the wind direction, is proposed and verified. Wind tunnel experiments were conducted to generate the flutter phenomenon on the proposed device by limiting the attack angle of the airfoil to less than the critical angle. To calculate the flutter velocity, the damping coefficient of the device is extracted from the wind tunnel experiments. Furthermore, the power of the device is estimated based on the flutter velocity and airfoil displacement.

전기체 2차원 모델을 이용한 공력탄성학적 특성에 관한 연구

편봉도(Bong-Do Pyeon),배재성(Jae-Sung Bae) 항공우주시스템공학회 2024 항공우주시스템공학회 학술대회 발표집 Vol.2024 No.5

플러터는 구조물의 크기에 관계없이 구조물을 파괴할만한 큰 진동이 나타나는 동적 불안정현상이다. 이 중 고세장비 날개를 갖는 무인기의 경우 기체 중량을 줄이기 위해 경량 설계가 필수적이다. 그 결과 날개는 유연한 특성을 갖기 때문에 플러터에 굉장히 취약하다. 이에 따라 초기 설계 단계에서 플러터 해석이 반드시 수반된다. 대체로 플러터 해석은 날개 모델을 활용하거나 3D 모델을 이용하여 보다 정확한 플러터 근을 찾는다. 그러나 3D 모델의 경우, 시간이 많이 소모된다. 따라서 본 연구에서는 전기체 2D 모델을 이용하여 초기 항공기 설계 시 플러터 경계를 확보하고자 한다. 결과적으로 전기체 2D모델과 3D 모델의 공탄성 해석 결과, 오차는 3% 이내로 유사함을 알 수 있었다. Flutter is a dynamic instability phenomenon in which large vibrations that can destroy a structure occur regardless of its size. Among these, in the case of UAV with high aspect ratio wing, light-weight design is essential to reduce the weight of the aircraft. As a reslut, the wing have flexible characteristics and are very vulnerable to flutter. Accordingly, flutter analysis is essential at the early design stage. In general, flutter analysis utilizes a wing model or a 3D model to find more accurate flutter roots. However, in the case of 3D model, it is time consuming. Therefore, in this study, we aim to secure flutter boundary during initial design stage using an aircraft 2D model. As a result, the aeroelastic analysis results of the 2D model and 3D model of the full aircraft show that the error is a similar, within 3%.

교량단면의 공기력계수 및 플러터계수에 관한 실험적 연구

조재영(Cho Jae-Young),이학은(Lee Hak-Eun),김영민(Kim Young-Min) 대한토목학회 2006 대한토목학회논문집 A Vol.26 No.5A

본 연구의 목적은 교량 거더 단면의 공기역학적 특성을 나타내는 기본 자료인 공기력계수와 플러터계수가 동적응답과 어떠한 상관관계를 가지는지를 규명하는데 있다. 이를 위해 세 단계의 단면모형실험이 수행되었다. 첫 번째 단계에서는 총 7개의 거더 단면 즉,6개의 플레이트거더 단면과 1개의 박스거더 단면이 고려되었으며 거더 단면의 기하학적 형상, 영각, 바람의 방향 그리고 기류조건이 공기력계수인 항력계수 양력계수 그리고 모멘트계수에 미치는 영향을 정적 단면모형실험을 통해 살펴보았다. 두 번째 단계에서는 동적실험을 통해 각 단면의 공기력계수와 동적응답의 상관성을 검증하였다. 마지막으로 2자유도하의 동적 단면모형실험을 통해 세 개의 거더 단면의 플러터계수를 산출하고 이를 동적실험결과와 비교하였다. 주어진 단면형상에 대한 비정상 공기력에 의해 변화되는 시스템의 감쇠와 강성을 가장 잘 반영하는 플러터계수는 초기변위-자유 진동시스템을 이용하여 추출하였다. 이를 위해 등류조건에서 풍속별로 교량단면의 수직 및 비틀림 초기변위의 시간에 따른 진폭의 감쇠를 측정하였다. 본 연구에서 제시한 교량단면의 공기력계수와 플러터계수는 공탄석해석 및 버펫팅해석을 위한 기본 자료로 유용하게 쓰일 것으로 보인다. The aim of this study is to investigate a correlation between fundamental data on aerodynamic characteristics of bridge girder cross-sections, such as aerodynamic force coefficients and flutter derivatives, and their aerodynamic behaviour. The section model tests were carried out in three stages. In the first stage, seven deck configurations were studied, namely; Six 2-edge girders and one box girder. In this stage, changes in aerodynamic force coefficients due to geometrical shape of girders, incidence angle of flow, wind directions and turbulence intensities were studied by static section model tests. In the second stage, the dynamic section model tests were carried out to investigate the relativity of static coefficients to dynamic responses. And finally, the two-dimensional (lift-torsion) aerodynamic derivatives of three bridge deck configurations were investigated by dynamic section model tests. The aerodynamic derivatives can be best described as a representation of the aerodynamic damping and the aerodynamic stiffness provided by the wind for a given deck geometry. The method employed here to extract these unsteady aerodynamic properties is known as the initial displacement technique. It involves the measurement of the decay in amplitude with time of an initial displacement of the deck in heave and torsion, for various wind speeds, in smooth flow. It is suggested that the proposed aerodynamic force coefficients and flutter derivatives of bridge girder sections will be potentially useful for the aeroelastic analysis and buffeting analysis.

신호처리를 통한 플러터계수 추출

전낙현,김동원,김정균,이학은 한국방재학회 2011 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.10 No.-

초장대교량의 건설로 인해 메인 거더의 공기역학적 거동이 주요 이슈가 되었다. 특히 연성 구조를 갖는 장대교량의 안정성에 대한 주요 관점은 플러터의 발현에 있다. 플러터의 예측은 2차원 단면 실험을 통해 가능하다. 플러터계수 추출을 위해 변위를 주변수로 하여 속도와 가속도를 구현하였다. 이때 플러터계수의 정확한 예측이 매우 중요하게 된다. 측정데이터를 통해 구조물의 유효강성과 댐핑을 역계산하는 SI기법에서 측정치 해석의 정확성에 따라 교량파괴에 해당하는 임계속도의 정확성이 결정된다. 본 연구에서는 오차가 포함된 측정치의 데이터를 신호처리방법을 이용해 정확도를 개선하는 것을 목적으로 한다. 측정치의 오차정도를 구현하기 위해 white gaussian noise를 적용하였고 수치 검증을 통해 zero phase filtering과 stacking방법 그리고 moving average방법을 적용하여 좀 더 정확성 있는 교량의 구조물성치가 산출됨을 확인 할 수 있다.

CFD에 의한 사각단면의 플러터계수 산출

민원,이용재,Min, Won,Lee, Yong Jae 한국강구조학회 2003 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.15 No.6

CFD를 이용하여 풍하중을 받는 구조부재의 Indicial 함수를 구하고 이로부터 플러터 계수를 얻는 방법을 제안한다. 이를 위해 유한요소법을 이용한 CFD 프로그램을 개발하고 이것을 사용하여 순간적 영각 변화에 따른 공기력계수의 시간적 변화, 즉 Indicial 함수를 구한다. 이 함수를 Fourier적분하여 플러터 계수를 구한다. 이 방법에서는 유체 속에서 진동하는 물체를 직접 시뮬레이션 하는 대신에 일정한 영각을 갖는 고정된 구조물의 수직력 및 회전력의 시간적 변화만을 구하면 된다. 이 방법의 타당성을 검증하기 위해 단면비가 다른 2개의 직사각 단면에 대해 본 연구에서 개발한 프로그램을 사용하여 플러터 계수를 구하고, 또 풍동실험을 실시하여 같은 단면에 대한 플러터 계수를 구하여 서로 비교하였다. 본 연구결과는 교량의 예비설계 단계에서 효과적으로 사용할 수 있을 것이다. An evaluation method for flutter derivatives is proposed, using indicial functions of structural members produced by Computational Fluid Dynamics (CFD). Flutter derivatives are obtained by Fourier integration of indicial functions. Instead of direct simulation of oscillating objects, only the calculation of time-dependent lift and moment variations of fixed objects with constant attack angle are necessary.The Finite Element Method (FEM) is developed as a tool for the numerical method. For two rectangular sections having different aspect ratios, the numerical analysis and wind tunnel test are carried out to inspect the adequacy of this study. The results proved to be good, and they could be used for a preliminary design.

준정상 이론에 의한 교량 플러터의 간략식

조영래,조재영,이학은,Cho,Young-Rae,Cho,Jae-Young,Lee,Hak-Eun 한국방재학회 2008 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2008 No.1

유체내에 잠겨있는 물체의 진동은 공기력을 유발시키며 이러한 공기력에 의해 발생되는 진동을 물체의 거동에 의해 발생되는 가진이라 한다. 또한 물체에 작용하는 외부 공기력이 없이도 물체의 주기적인 움직임에 의해 발생되는 에너지로부터 공기력을 생성시킨다. 이러한 메커니즘에 의해 생성되는 공기력을 공기자발력(self-excited force) 이라 하며 교량의 내풍안정성과 관련이 있다. 본 논문에서는 MIE 메커니즘에 의해 발생되는 플루터 현상을 수학적으로 살펴보고, 단일모드에 대한 플러터계수를 이용한 플러터 발생풍속 산정식을 유도하였다. 또한 준정상 이론을 적용하여 단일모드에 대한 플러터 발생 예측식을 간략화하였다. 제안된 식의 플러터 발생풍속을 구조물의 진동수비가 서로 다른 3개의 <TEX>$\pi$</TEX>형 단면에 대해 검토하였다.

구형단면을 이용한 플러터 발전시스템에 관한 기초적인 연구

마츠모토 마사루,김기남,서주원,김희덕,박종화,조병완 한국풍공학회 2009 한국풍공학회지 Vol.13 No.1

발산진동인 플러터의 발현은 구조물의 붕괴와 직결되기 때문에, 기존의 대부분의 연구들은 이러한 파괴적인 진동현상을 안정화하는데 초점을 두어왔다. 한편, 고효율의 전력생산의 관점에서는 플러터 현상을 적극적으로 이용하여 풍력에너지를 추출하는 연구들도 수행되어 왔다. 본 연구에서는 변장비 5, 20의 구형단면을 이용하여 플러터 발전 시스템의 기본적인 효율성을 검토하였다. 풍동실험 및 해석적인 접근방법을 통해, 2차원 단면의 가진방향, 가진진동수와 고유진동수의 비, 비정상공기력 계수 등의 변수가 플러터 발전시스템의 효율성에 미치는 영향을 분석하였다. Since the flutter instability is one of the divergent oscillations, its onset may directly induce the structural collapse. Therefore, many researches have been conducted to stabilize this destructive oscillation. On the other hand, researches of extracting the wind energy from flutter phenomenon have been performed from the viewpoint of positively utilizing the flutter phenomenon due to its high efficiency of power generation. In the previous study, the author examined the applicability of rectangular section having the side ratio, B/D of 20 to the power generation focusing on the amplitude ratio between heaving and torsional oscillations, which is based on the heaving branch mechanism of 2-dof coupled flutter. This paper examines the fundamental efficiency of flutter generation system using the rectangular sections with the side ratios, B/D of 5 and 20. The experimental and numerical investigations are performed to assess the influence of various aerodynamic parameters such as the directions of forced oscillation, the ratios of the forced frequency to the natural frequency, and the aerodynamic derivatives of rectangular sections on the efficiency of flutter generation system.

pyFlutter : 파이썬 기반 플러터 해석 패키지

백승길(Seung-Kil Paek) 한국항공우주학회 2016 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.4

파이썬 언어 기반의 플러터 해석 패키지인 pyFlutter를 개발하였다. 파이썬 언어는 객체지향 스크립트 방식의 언어로서 광범위한 시스템 관리 기능과 함께 LAPACK, BLAS에 기반한 Numpy 패키지의 등장으로 Fortran언어, C언어에 필적하는 효율적 코드 작성이 가능하다. pyFlutter 패키지는 NASTRAN의 PKS 알고리듬에 병렬처리 기법을 통해 계산속도를 향상시킨 플러터 해석 루틴을 포함하고 있다. 오픈소스 패키지 pyQt, Blender 등을 활용하여 V-g 선도, V-f 선도, 근궤적 선도, 벡터 성분 뿐만 아니라 각 속도의 플러터모드를 애니메이션까지 볼 수 있는 후처리 GUI를 작성하였다. KAI의 KC-100 항공기, 항우연의 중형항공기, 전기동력 무인항공기, 대한항공의 전술 무인항공기 개발에 활용하였다. A flutter analysis package based on Python language, pyFlutter was developed. Python language is an object-oriented script language with wide range of system management capability and efficient codes comparable to Fortan or C language can be developed owing to advance of its numpy package based on LAPACK and BLAS. PyFlutter includes a flutter analysis routine, whose computation speed was enhanced using parallel processing technique upon PKS algorithm of NASTRAN. Post-processing GUI was developed whch can animate the flutter mode at each speed as well as V-g plot, V-f plot, root locus plot and vector componet plot. It was used for the developments of KC-100 aircraft of KAI, a transport aircraft and an electric powerd UAV of KARI, and a tactical UAS of Korean Air.

Gurney 플랩이 장착된 2차원 익형의 플러터 해석

배의성(Eui-Sung Bae),주완돈(Wan-Don Joo),이동호(Dong-Ho Lee) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.1

본 연구에서는 Gurney 플랩이 달린 NACA 0012 익형에 대한 플러터 해석을 시간 영역에서 수행하였다. 2차원 비정상 압축성 Navier-Stokes 방정식과 Lagrange 방정식으로부터 유도한 2계 자유도 plunge & pitch 모델을 지배방정식으로 하여 연성 결합 기법을 통해 플러터 해석을 수행하였다. 계산 결과 Gurney 플랩을 장착할 경우 NACA 0012에 비해 플러터가 발생하는 속도가 낮아졌고, 마하수가 0.85보다 작은 영역에서는 Gurney 플랩의 플러터 경계 곡선은 안전 여유를 상회하는 영역에 위치하였다. 그러나, 마하수가 0.85에서 0.9사이일 경우에는 안전 여유에 근접하게 되므로 이러한 운용 영역에서는 Gurney 플랩의 사용에 주의를 요한다. Flutter analysis of NACA 0012 with Gurney flap was conducted in time domain. Flutter analysis was performed with a conjunction of two governing equations; one is 2D Navier-Stokes equation and, the other is Lagrange equation of two dimensional plunge & pitch model. Both governing equations were coupled by loose-coupling method. From the computed results, the effect of Gurney flap was concluded to move the flutter boundary of NACA 0012 downward, which means flutter occurs at lower speed than that of NACA 0012. Although flutter boundary of gurney flap was above the safety margin when mach number was lower than 0.85, there might be a possibility of crossing the safety margin when mach number was between 0.85 and 0.9. For safety, the effect of gurney flap needs to be investigated carefully before using it.

KC-100 항공기의 비행 조종 시스템에 대한 플러터 안정성 분석

최용준,백승길 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

KC-100 은 지상진동시험과 비행시험으로 입증된 유한요소모델에 근거하여 TIA 형상으로 최종 모델 수정하였다. 이 모델을 바탕으로 MSC/NASTRAN 과 pyFlutter 를 이용하여 플러터 해석을 수행하였다. 특히, FAR 23.629 에서 요구하고 있는 비행 조종 시스템의 파손, 기능 고장 또는 단절 이후에 플러터가 없음을 해석을 통해 확인하였다. 비행 조종 시스템이 파손되었을 때 밸런스 중량이 주요한 요인으로 작용하며, 플러터 해석 결과가 제시되었다. Based on the finite element model verified with the ground vibration test and flight flutter test, the finite element was slightly modified for TIA configuration. Based on this model, the flutter analysis was made using MSC/NASTRAN and pyFlutter. Through flutter analysis for single element failure conditions of tab control systems and primary flight control systems, FAR 23.629 was checked. When flight control system failed, balance weight was identified as major flutter stability factor. And a detailed analysis result for flutter analysis is shown.