저 레이놀즈 수 영역에서 플래핑 날개 공력모델에 관한 실험적 연구

Abstract

날갯짓 비행체의 초기 설계 시, 저 레이놀즈 수, $\bf{O}(10^5)$, 비정상 유동, k=0~0.1에서 날갯짓 운동에 의해 생성되는 공기역학적 힘과 모멘트를 예측할 필요가 있다. 이러한 유동 영역에서 비행하는 자연계 비행체는 까치, 비둘기 정도의 크기를 갖는다. 날갯짓 비행체 공력모델, 혹은 플래핑 날개 공력모델은 유체-구조 연계를 고려한 날개 설계 및 비선형 제어 시뮬레이션과 같이 다분야 통합 해석 수행 시 물리적인 현상을 효과적으로 반영하며, 계산시간을 단축시켜준다. 날갯짓 비행체 공력모델은 특정 유동조건 하에, 날개의 형상학적 변수, 운동학적 변수에 따른 양력, 추력 및 모멘트에 대한 정보를 제공한다. 일반적으로 날갯짓 비행체 공력모델은 포텐셜 이론을 바탕으로 수식 전개가 이루어지거나, 풍동실험, 전산유체역학적 기법을 통해 수립되며, 공력모델은 풍동실험 및 전산유체역학 해석을 통해 모델의 적용 범위 및 타당성을 검증하게 된다. 본 연구에서는 플래핑 날개 공력모델로서 Modified Strip Theory(MST)를 채택하였으며, 이 모델은 semi-empirical model로 큰 진폭을 갖는 날갯짓 운동에 의한 공력 예측에 탁월하다. 하지만 아직까지 저 레이놀즈 수 영역에서 이 모델에 대한 실험적 검증이 체계적으로 이루어지지 않았기 때문에, 본 연구에서 MST 모델을 실험적으로 검증할 수 있도록 실험장치를 설계 및 개발하였다. 실험결과와 MST모델 해석 결과는 Normalized Mean Absolute Percent Error와 Modal Assurance Criterion in time의 두 인자를 통해 정량적으로 비교 분석 되었으며, Re~O(10000), k=0~0.1 영역에서의 타당성을 입증하였다. 추가적으로, 피칭 운동이 있는 경우 동적 실속 모델을 추가 및 실험적으로 검증 하였으며, 큰 진폭을 갖는 운동이 있는 날개의 경우, MST 모멘트 예측 모델을 실험적으로 얻어진 합성받음각에 따른 압력 중심 이동패턴을 반영하여 개선 하였다.