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유연평판의 추력효율에 관한 유체-구조 연성해석

Title
유연평판의 추력효율에 관한 유체-구조 연성해석
Other Titles
Fluid-Structure Interaction Analysis for the Propulsion Efficiency of a Flexible Plate
Author
이지석
Alternative Author(s)
Lee Ji Seok
Advisor(s)
이상환
Issue Date
2011-08
Publisher
한양대학교
Degree
Doctor
Abstract
We presented a method for the implementation of fluid-structure interaction using LBM for the fluid solver and FEM for the structure solver. In order to improve the accuracy of the no-slip boundary condition, we developed the boundary treatment scheme using the adaptive relaxation tims reflecting boundary length scales that were unequal to the length scale of the internal fluid region lattices. The moving boundary problem was solved by a direct forcing scheme. We improved the direct forcing scheme for application to very thin flexible plates. The finite element method with Euler beam elements was used for the structural deformation of the flexible plate. The applied scheme showed good agreement with previously known research results. We applied the present scheme to a flexible plate normal to free stream flow as well. We were able to see that the elasticity of the plate had a role in the reduction of force coefficients of the flexible plate, and found a change of dependent on elasticity and . We found that the of the plate up to increased regardless of flexibility, while the in the range of was dependent on the flexibility. When , the of the plate increased with increasing , while the of rigid plate decreased with increasing . In addition, this paper presented the computational fluid-structure interaction analysis of a flapping flexible plate to investigate the effect of flexibility for birds, insects and micro air vehicles to move forward with efficient propulsion force by flapping wings. It was known that the rotation of the flapping rigid plate or wing near the end of a translational stroke enhanced the propulsion force. This study found that the flexibility enhanced the propulsion efficiency without the intended rotational motion during the end of translational stroke. The flexibility of the plate made the deformation during translation and reduced the attack angle which made the propulsion enhanced. The flexibility of a plate had a optimized range of flexibility which was important to make the efficient propulsion. In future work, we will estimate the locking phenomenon of a flapping plate using the developed scheme. Furthermore, we will develop a 3D scheme using LBM and FEM for a flapping flexible plate. |본 연구를 통해 유체-구조 연성해석을 위한 수치해법을 제시하였다. 유체해석을 위해서는 격자볼츠만법을 사용하였다. 적응이완시간상수를 도입하여 주변 격자점의 정보없이도 고정경계면에서 2차정도가 가능하도록 하였으며, 이동경계에서는 직접외력부가법을 이용한 가상경계법을 사용하여 구조경계의 이동에 따른 경계면의 정의를 용이하도록 구성하였다. 구조해석을 위해서 유한요소법을 적용하였으며, 1차원 보요소를 이용하여 플래핑운동을 하면서 변형하는 평판을 모사하였다. 본 연구를 통해 제시된 수치해법을 이전 연구자들의 다양한 결과와 비교하여 정도를 확인하였다. 특히 격자의 수가 부족한 영역에서 상대적으로 뛰어난 정도의 보상효과를 보여주었다. 본 연구를 통해 제안된 수치해법을 이용하여 자유유동내에 유동방향에 수직으로 위치한 유연평판주위의 유동을 우선 고찰하였다. 유연평판의 탄성계수(굽힘강성)에 따라 후류의 형태 및 유연평판에 작용하는 작용력의 변화가 있었으며, 특히 수의 변화에 따른 수의 변화를 확인할 수 있었다. 에서는 유연평판의 탄성계수(굽힘강성)에 관계없이 수가 커질수록 수도 같이 증가하였다. 하지만 에서는 수는 유연평판의 탄성계수(굽힘강성)에 따라 경향이 다르게 나타난다. 즉, 탄성계수(굽힘강성)가 감소할수록 수는 수에 비례하고 있으며, 유연평판의 탄성계수(굽힘강성)가 커질수록 는 감소하고 있다. 이는 탄성계수(굽힘강성)가 작아질수록 유연평판의 유연성이 커지고 변형이 증가하여 유동저항 유효면적이 작아짐으로 인한 현상으로 파악된다. 이러한 유연평판의 형상변형은 구조체주위 유동의 전반적인 경향에도 영향을 미치는 중요한 인자인 것을 확인할 수 있었다. 이러한 영향을 기초로 하여 플래핑운동을 하는 유연평판의 거동을 해석하였다. 플래핑운동을 하는 유연평판의 거동은 플래핑운동을 통해 추진력을 확보하는 곤충이나 소형비행체의 연구에 중요한 기초거동이 되는데, 본 연구에서는 초파리의 거동을 강체평판에 적용하여, 본 연구에서 제시한 수치기법으로 이전 연구자들의 결과들을 재현하였으며, 추진기구의 세부적인 현상을 확인하였다. 즉, 병진운동과 회전운동의 위상차가 실질적인 추력의 차이를 만들어내고 있는 것을 확인하였다. 회전운동이 병진운동의 방향전환보다 먼저 시작되는 선회전운동이 추력에서 유리함을 보였으며, 이는 이전 연구자들의 결과와도 동일하다. 유연평판의 경우, 이러한 회전운동이 없이 단순 병진운동만으로도 강체평판의 선회전운동보다 효율적인 추력을 확보할 수 있음을 또한 확인하였다. 유연평판은 단순병진운동중에 적절한 변형이 이루어질 수 있었으며, 이러한 변형은 유연평판의 병진운동중 받음각을 작게하여 주면서 동시에 안정적인 추력을 만들어 주었다. 추력의 효율성을 최적화하기위해서는 유연평판에 작용하는 힘의 대부분이 추력으로 변환되어야 하는데, 유연평판의 경우 이러한 작용력대비 추력의 비율이 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 유연평판의 탄성계수(굽힘강성)도 추진효율을 향상시키기위한 중요한 인자인데, 본 연구에서는 10MPa(6.7Nm2)에서 200MPa(133.3Nm2)의 범위로 한정하여 특정 플래핑운동조건에서의 최적탄성계수(굽힘강성)를 도출하였다. 이 경우 50MPa(33.3Nm2)에서 100MPa(66.7Nm2)의 넓은 범위에서 최적의 추진효율을 유지할 수 있었다. 본 연구를 통해 유연평판의 추진효율성을 확인할 수 있었고, 탄성계수(굽힘강성)의 최적값이 존재함을 또한 확인할 수 있었다. 또한 유연평판의 병진운동을 기준으로 한 Reynolds수에 따른 최적값이 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 본 연구에서 제시한 수치기법을 3차원으로 확장하는 작업이 필요하며, 이러한 3차원 확장을 통해 보다 정교한 수치모사결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 특히 소형무인항공기개발 및 혈류유동연구에 중요한 기법으로 활용될 수 있을 것이다.
We presented a method for the implementation of fluid-structure interaction using LBM for the fluid solver and FEM for the structure solver. In order to improve the accuracy of the no-slip boundary condition, we developed the boundary treatment scheme using the adaptive relaxation tims reflecting boundary length scales that were unequal to the length scale of the internal fluid region lattices. The moving boundary problem was solved by a direct forcing scheme. We improved the direct forcing scheme for application to very thin flexible plates. The finite element method with Euler beam elements was used for the structural deformation of the flexible plate. The applied scheme showed good agreement with previously known research results. We applied the present scheme to a flexible plate normal to free stream flow as well. We were able to see that the elasticity of the plate had a role in the reduction of force coefficients of the flexible plate, and found a change of dependent on elasticity and . We found that the of the plate up to increased regardless of flexibility, while the in the range of was dependent on the flexibility. When , the of the plate increased with increasing , while the of rigid plate decreased with increasing . In addition, this paper presented the computational fluid-structure interaction analysis of a flapping flexible plate to investigate the effect of flexibility for birds, insects and micro air vehicles to move forward with efficient propulsion force by flapping wings. It was known that the rotation of the flapping rigid plate or wing near the end of a translational stroke enhanced the propulsion force. This study found that the flexibility enhanced the propulsion efficiency without the intended rotational motion during the end of translational stroke. The flexibility of the plate made the deformation during translation and reduced the attack angle which made the propulsion enhanced. The flexibility of a plate had a optimized range of flexibility which was important to make the efficient propulsion. In future work, we will estimate the locking phenomenon of a flapping plate using the developed scheme. Furthermore, we will develop a 3D scheme using LBM and FEM for a flapping flexible plate.
URI
http://dcollection.hanyang.ac.kr/jsp/common/DcLoOrgPer.jsp?sItemId=000000061209https://repository.hanyang.ac.kr/handle/20.500.11754/138809
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GRADUATE SCHOOL[S](대학원) > MECHANICAL ENGINEERING(기계공학과) > Theses (Ph.D.)
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