마이크로 유동 내 생체모사익의 추력발생

Abstract

최근 의공학 분야에서 인체 혈관 내 약물이송이나 비절개수술 (Minimally Invasive Surgeries, MIS)에 활용 가능한 나노로봇 (Nano Robot)개발에 관한 연구가 시작되고 있다. 또한, 항공우주 분야에서 날개길이 15cm이하의 Micro Air Vehicle (MAV) 보다 더욱 작은 날개길이 수 cm이하의 Nano Air Vehicle (NAV) 개발 연구가 진행되고 있다. 나노로봇이나 NAV와 같이 매우 작은 운행체나 로봇을 설계하기 위해서는 매우 낮은 Reynolds 수에서 이동하는 날개들의 운동과 형상 변화에 따른 추력발생 메카니즘을 밝히는 연구가 필요하다. 본 연구는 2004년 Childress 등이 북태평양에서 서식하는 연체동물 Clione의 운동 관찰 연구와 자연생물체의 몸무게와 날개 짓 주파수가 반비례한다는 사실에 착안하여, 마이크로 유동 조건에서 플래핑 (Flapping) 및 굽이침 (Undulation) 운동을 통하여 추력을 발생시킬 수 있는 조건을 격자볼츠만법을 사용하여 연구하였다. 격자볼츠만법은 마이크로 유동 문제와 관련하여 기존 연속체 기반의 수치해석방법에 비하여 수학적, 물리적으로 더욱 타당한 해석방법으로 알려져 있다. 마이크로 유동 내에서 움직이는 물체를 모사하기 위하여 이동경계조건을 적용하였으며, 유체가 물체에 작용하는 힘은 운동량 교환법을 사용하여 계산하였다. 본 연구에서 사용한 수치해법의 격자의존성과 Bounce-back 경계조건은 고정실린더에 관한 실험 및 계산결과와 비교하여 검증하였다. 이동경계조건 및 운동량 교환법의 타당성은 진동실린더에 대한 기존 문헌의 수치해석결과와 비교하여 나타내었다. 본 연구에서, 저 Reynolds 수() 영역(185)에서 자연계 생물체들의 이동과 관련한 일반적인 진폭기준 Strouhal 수 () 범위의 하한 및 상한값인 0.2와 0.4에 대하여 플래핑 날개짓을 하는 단일 날개의 추력발생 조건을 연구하였다. 먼저 단일날개의 두께 비를 변화시켰을 때, =0.2에서는 Re=185 이하의 영역에서 두께 비 변화와 무관하게 추력이 발생되지 않았다. 반면, =0.4에서는, Re=185, 두께 비(Dy/Dx)=0.28이하의 조건에서 추력이 발생하였다. 다음으로 시위길이의 3%의 두께를 가진 단일 평판 날개에서 추력발생에 Reynolds 수 와 Strouhal 수가 미치는 영향을 조사하였다. 이때 Strouhal 수는 진폭기준 Strouhal 수와 시위길이 기준 Strouhal 수로 나누어 날개짓에 의한 추력발생에 날개짓 진폭 및 진동수들이 미치는 영향도 같이 조사하였다. 진폭기준 Strouhal 수가 0.4인 경우, Reynolds 수가 약 100이상의 값을 가질 때 추력이 발생되기 시작하였다. Re=100 이하의 범위에서 추력이 발생되기 시작하는 진폭기준 Strouhal 수는 의 관계가 있음을 알 수 있었다. 이 결과는 향후 마이크로 유동 내 플래핑을 이용한 추진기 설계에 활용이 가능하다. 마이크로 유동 내에서 이동하는 운행체는 단일 날개뿐만 아니라 다중날개 시스템으로 구현이 가능할 것이다. 본 연구에서는 단일 날개보다 우수한 추진성능을 가진 다중날개 시스템의 추력특성을 연구하였다. 다중날개 시스템은 직렬배치(Tandem Configuration)와 복엽기 배치(Biplane Configuration) 두 개의 날개시스템에 대하여 Strouhal 수, 진폭, 평판들 사이의 거리 및 위상차에 따른 추력발생 특성을 조사하였다. 낮은 Reynolds 수에서 복엽기 배치가 직렬배치보다 더 크게 추력을 생성시켰다. Re=5인 경우 단일 평판날개가 진폭기준 Strouhal 수가 1.8 이상일때 추력을 발생시킬 수 있었던 반면, 복엽기 배치 다중날개 시스템은 1.2 이상에서 추력을 발생시킬 수 있었다. 매우 낮은 Reynolds 수(Re=5)에서 움직이는 자연생물체들의 이동방식은 플랩핑 운동보다는 굽이침(Undulation)운동이 더욱 효과적일 가능성이 있다. 따라서 매우 낮은 Reynolds 수에서 이동하는 운행체나 로봇을 개발하기 위해서는 먼저 각 유동조건에서 가장 우수한 추진성능을 낼 수 있는 날개의 운동형태를 파악해야 한다. 본 연구에서는 히브(Heave)진동하는 단일 날개, 날개 후반부에 능동적 휨(Active Deflection)이 있는 단일날개, Wiggling 및 Undulation 운동을 하는 날개들 사이의 추력발생 특성을 비교하였다. 연구결과 히브진동 날개나 능동적 휨을 가진 날개가 오히려 Wiggling 및 Undulation 운동을 하는 날개보다 추력발생이 더욱 우수하였다. 본 연구는 의공학 분야의 나노로봇(Nano Robot) 및 항공우주 분야의 Nano Air Vehicle (NAV) 개발과 관련하여 마이크로 유동 내에서 이동하는 운행체 및 로봇의 추진을 위하여 다양한 생체모사익들의 추력특성을 비교하였다. 그러나 최적의 추진성능을 낼 수 있는 생체모사익의 선정과 형상 및 운동조건을 파악하기 위해서는 본 연구결과를 확장하여 최적설계 연구를 수행할 필요가 있다.; Recently, a nano robot which can apply to drug delivery and minimally invasive surgeries (MIS) in the bio engineering has been studied rapidly. And nano air vehicle (NAV) of which wing span is under few centimeter less than micro air vehicle (MAV) which is defined it 15cm length has also been studied in aeronautics. It is needed to design an extremely small operator or robot such as NAV or a nano robot to investigate the kinematics and deflection of the wings in a very low Reynolds number flow. But the study of thrust generation by flapping in a micro flow is not enough to understand. It was just observed by Childress et al. in 2004 that the thrust limit by the flapping is about Reynolds number, 5. This study is inspired by an observation that mollusc, Clion locomotes under Reynolds number, 20 and the fact that the creatures flap their wings or tail with an optimal flapping frequency according to their body weight and size. Therefore, this study will discuss the conditions of thrust generation by flapping plates and biomimetic foil modes in a micro flow as a basic study for micro scaled flights and the swimming in a blood vessel and so on through the numerical simulation using lattice Boltzmann method (LBM). LBM is useful and more resonable for the simulation of a micro flow against the conventional computational fluid dynamics (CFD) based on continuum assumption such as Navier-Stokes (N-S) equation. To simulate the flapping and undulation motions of foil in a micro flow, moving boundary condition is used for the interface between fluid and solid particles, and the thrust is calculated by momentum exchange method. This numerical methods are validated comparing with other experimental and numerical results. In this study, the flapping parameters of a single wing for thrust generation are studied at the range of the creature's common Strouhal number (for flapping amplitude: St_(a) 0.2 ≤St_(a)≤0.4) in a low Reynolds number (Re); Re 185. First, when the thickness (aspect ratio) of a single wing was changed, the thrust was not generated at any thickness of a wing at St_(a)=0.2. On the other hand, the thrust was generated below the thickness ratio 0.28 at St_(a)=0.4, Re=185. Next, the effects of various Reynolds number and Strouhal number on the thrust generation for a flat plate of thickness ratio 0.03 were studied. Strouhal number was considered at various frequencies and amplitudes. When the Strouhal number ( St_(a)) is 0.4, the thrust was generated at Re 100. The Strouhal number ( St_(a)) which can produce the thrust is related with St_(a,min) = 4.0/√Re a micro flow (Re ≤ 100). The effective heaving amplitude in the lower Reynolds number was the larger than the those of in the higher Reynolds number. These results can be applied for the design of a propulsor which uses the flapping wing in a micro flow. The combination modes using two wings was discussed for increasing the thrust efficiency in a micro flow. These combination systems were studied for a tandem configuration and a biplane configuration with the flapping parameters; heaving amplitude and frequency of the plates and distance and phase difference between two plates. Biplane configuration was more effective than tandem configuration for the thrust amplification according to the decreasing Reynolds number. In case of Re=5 which is known as a criteria of the flapping thrust, the thrust generation in the biplane configuration can be produced in =1.2 against the single plate mode with =1.8. The locomotion form of the creature in nature can be more effective at an undulation mode than a simple flapping mode in a very low Reynolds number (Re=5). Therefore, various modes of biomimetic foil (heavingl, heaving and deflection, wiggling, and undulation foil) to overcome the limits of thrust generation and to find the most effective swimming mode are evaluated and compared with each other in a very low Reynolds number. As a result, It was found that a deflection of heaving foil (heaving and deflection mode) can generate the thrust at a minimum Strouhal number comparing with other biomimetic modes by switching the positive and negative vortices each other effectively.