최대 추력 및 효율을 위한 Double Hydrofoil 운동의 최적설계

Abstract

최근 Autonomous Underwater Vehicle (AUV, 이하 자율 무인 잠수정)분야에서 물고기나 거북이 등지느러미를 가진 동물들이 물속에서 헤엄치는 움직임들을 모사하는 연구가 진행되고 있다. 수중 무인잠수정 연구는 주로 단일 수중익의 움직임과 형상에 초점을 맞추어 진행되고 있다. 그러나 실제 제품의 개발과 활용을 위해서는 두 개의 수중익을 시스템에 적용하여야 한다. 또한 두 개의 수중익 시스템에서 날개 간의 상호작용으로 인하여 단일 수중익과 전혀 다른 후류특성을 보이기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 두 개의 수중익 시스템에서의 후류특성 및 날개간의 상호작용을 관찰하고 뒷날개의 모션 변화에 따른 추력 및 효율의 상관관계를 분석하였다. 최적화를 수행하기에 앞서 뒷날개의 각각의 설계변수들을 변화시켜 전체 유동에 미치는 영향을 확인하였으며, 이를 통하여 각 변수들의 상관관계를 분석하였다. 이를 바탕으로 추력과 효율을 동시에 최대화하기 위하여 모션 최적설계를 수행하였다. 이를 위해 두 개의 수중익에서의 후류 상호작용을 관찰하였으며, 익형 형상은 일반적으로 널리 사용되는 NACA 4 계열 익형인 NACA 00112를 선택하였다. 최적화 수행 시 직교 배열표를 이용하여 18개의 실험 점을 생성하였으며, DOE(Design of experiment)를 수행하였다. 이 떄 사용된 메타모델은 크리깅이며, 마이크로 유전 알고리즘을 이용하여 최적설계를 수행하였다. 최적 설계 수행결과 두 개의 수중익의 추력은 16.7%로 가량 증대되었으며 효율은 35.1% 가량 증대됨을 확인할 수 있었다. 위 연구 결과를 바탕으로 향후 수중무인잠수정 추력 및 효율을 증대시켜 성능향상을 도모 할 수 있다.