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https://www.krm.or.kr/krmts/link.html?dbGubun=SD&m201_id=10012877&local_id=10019708
작은 벌의 정지비행 원리를 이용한 선박추진기구의 개발
Reports NRF is supported by Research Projects( 작은 벌의 정지비행 원리를 이용한 선박추진기구의 개발 | 2006 Year | 노기덕(경상대학교(통영)) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
사업별 신청요강보기
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00003
Year(selected) 2006 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 09월 04일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research result report
  • Abstract
  • 본 연구는 연구책임자가 Weis-Fogh메커니즘 및 그것을 응용한 선박추진기구에 대해 다년간 연구한 결과를 정리한 것이며, 수업교재에 기술한 바와 같이 6장으로 나누어 기술하였다. 이하 각 장별로 그 내용을 간략하면 다음과 같다.
    제1장에서는 Weis-Fogh 메커니즘의 의미, 본 연구의 배경, 연구의 목적 및 개요에 대해서 기술하였다.
    제2장에서는 Weis-Fogh메커니즘의 3차원 공력특성을 가시화실험과 와법을 이용한 수치계산으로 파악하였다. 날개주위의 흐름은 2차원흐름과 달리 팁 볼텍스의 영향을 강하게 받았으며, Fling단계에서는 날개 앞전부근의 볼텍스 분포는 팁 볼텍스의 영향을 받아 볼록한 형태를 취했고, Rotating단계에서 Downwash는 바깥쪽 팁 볼텍스가 안쪽의 그것보다 강하기 때문 바깥쪽으로 경사되어 있었다. 또한 본 메커니즘에서의 양력계수는 레이놀즈수에 거의 독립적이었고, 와법은 이런 종류의 비정상흐름의 수치계산에 매우 유용하였다.
    제3장에서는 Weis-Fogh 메커니즘의 원리를 응용한 수 종류의 추진모델에 대해 각각의 특징을 검토하였고, 이 추진모델을 기계화한 소위 Weis-Fogh형 추진장치를 제작, 모형선에 장착하여 해상에서의 주행시험을 행하였다. 모형선은 날개의 왕복운동에 따른 속도변동 없이 매끄럽게 주행하였고, 정지상태의 모형선에서 직렬 2단형 추진기구는 단단형에 비해 약 1.8배의 추력을 발생 시켰다. 또한 모형선은 주행에 있어 파도에는 별다른 영향을 받지 않았으며, 선회특성도 우수하였다.
    제4장에서는 Weis-Fogh형 선박추진기구의 역학적 특성실험과 유동장가시화 실험을 행하여 그 결과를 검토하였다. 추력계수는 열리는 과정에서 음의 값을, 병진운동의 과정 및 닫히는 과정에서는 양의 값을 보였다. 또한 추력계수 및 항력계수의 값은 날개의 이동속도에 크게 의존했고, 최대 추진효율의 값은 속도비 V/U=1.0 이하에서 나타났다. 그리고 가시화 실험에서 날개가 정지해 있을 때는 날개주위의 흐름은 벽면에 접해 있지 않은 연으로부터 박리하였으나, 날개가 동작하고 있을 때는 앞전에서의 박리는 보이지 않았다. 또한 열리는 과정에서는 날개와 벽 사이에 유체가 흡입되고, 닫히는 과정에서는 날개와 벽 사이에서 제트류가 보였다.
    제5장에서는 Weis-Fogh형 선박 추진기구의 속도장 및 압력장을 최신 와법으로 수치계산하였다. 그 결과를 보면 날개의 왕복운동에 따라 수로의 양 벽면 가까이에는 서로 반대방향의 볼텍스가 형성했다. 또한 열리는 과정, 병진운동의 과정 및 닫히는 과정에서 날개표면의 압력분포는 서로 다른 특성을 나타냈다. 그리고 날개가 한쪽 벽면에서 출발하여 반대편 벽면 가까이 다가갈수록 추력계수 및 항력계수는 점차 증가했다.
    제6장에서는 Weis-Fogh형 선박추진기구에 있어 종래의 딱딱한 평판날개 대신에 그 일부를 탄성체인 고무로 치환하여 본 추진기구의 유체역학적 성능개선을 시도한 것이다. 추력 및 항력의 시간변화 특성은 탄성날개와 평판날개는 같은 경향을 보였다. 평균추력계수는 전 속도비에 걸쳐 탄성날개가 평판날개에 비해 증가했으나, 평균항력계수는 전 속도비에 걸쳐 탄성날개가 평판날개에 비해 감소했다. 또한 평균추진효율은 전 속도비에 걸쳐 탄성날개가 평판날개에 비해 증가했으며, 평균적으로 α=15°의 경우 18%, α=30°경우 8% 추진효율 상승을 보였다.
  • Research result and Utilization method
  • 소위 Weis-Fogh메커니즘은 영국 캠브리지 대학의 생물학 교수인 Weis-Fogh가 Encarsia formosa로 불리는 길이 1mm되는 작은 벌의 정지비행을 관찰함에 의해 발견한 독특하고, 효율이 좋은 양력발생기구이다.
    본 연구는 연구책임자가 Weis-Fogh메커니즘 및 그것을 응용한 선박추진기구에 대해 다년간 연구한 결과를 정리한 것으로, 그 구체적인 내용은 수업교재에, 그리고 그 개요는 상술한 초록에 기술하였다.
    활용방안은 연구결과를 국내, 외 유명학술지에 발표하여 유체공학 발전에 이바지하고, 나아가 국내 조선소와 산․학 협동으로 본 추진기구를 실용화시킬 계획이다. 또한 확립된 최신와법을 대학원 수치해석특론 시간에 강의하고, 渦法으로 여러 가지 종류의 유동장을 해석하여 유체와 관련된 기계 또는 구조물의 설계개발, 성능향상에 기여하고자 한다.
    또한 본 사업을 통해 정리한 연구결과를 이용하여 기회가 주어지면 더 많은 중, 고등학교 학생들에게 작은 벌의 정지비행으로부터 어떻게 새롭고 효율 좋은 메커니즘을 발견했는지 또한 그것을 공학적으로 어떻게 모델화하고 어떻게 기계화하여 선박추진기를 개발할 수 있는지를 교육시켜, 장차 이 나라를 이 끌어갈 젊은 학생들에게 구체적인 과학적 사고력과 창의력을 길러 주고자한다.
  • Index terms
  • 유체공학(Fluid Mechanics), 유체기계(Hydraulic Machine), 추진기구(Propulsion Mechanism), 선박추진(Ship Propulsion), 날개(Wing), 비정상류(Unsteady Flow), 추진력(Thrust), 항력(Drag), 추진효율(Propulsive Efficiency), 와법(Vortex Method)
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