곤충 날갯짓 비행에서 발생하는 비정상 유동 현상에 대한 수치적 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 협동과정 계산과학전공, 2014. 2. 김종암.본 논문에서는 날갯짓 곤충의 전진 비행 시 발생하는 비정상 유동 특성에 관한 수치적 연구를 수행하였다. 날갯짓 곤충의 날개 운동을 해석하기 위하여 검정금파리의 전진모사 비행 실험에서 관찰된 결과를 인용하였다. 본 연구의 선행 연구에서는 검정금파리 날개 운동의 2차원 및 3차원 수치해석을 통해 곤충 비행의 급격한 기동성을 이해하는데 중요한 단서가 되는 매우 흥미롭고 독특한 유동장 특성을 관찰할 수 있었다. 선행 연구의 내용을 바탕으로 본 연구에서는 크게 두 가지 연구 주제에 대해 연구를 수행하였다. 곤충 날갯짓 비행에서 날개와 주위 유체 간의 상호작용은 공력특성을 결정짓는 매우 중요한 요소 중 하나이다. 날개의 구조 유연성이 공력발생에 미치는 영향 파악하고, 곤충 비행에서 발생하는 보다 실제적인 유동 특성을 분석 하기 위해 2차원 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 날개의 구조변형을 모사하기 위하여 세가지 형태의 날개 단면을 고려하였다. 그 결과, 유연 구조 날개에서도 선행 연구에서 관찰된 주요 유동 물리 현상 및 공력 발생 패턴이 유사하게 나타남을 확인할 수 있었다. 반면, 구조 변형에 따른 유효 받음각의 변화와 날개 표면에 작용하는 힘 벡터의 방향 변화에 의해 정량적인 공력특성은 세가지 날개에서 서로 다르게 나타났다. 또한 다양한 유동조건에 따른 공력특성 및 물리현상의 변화를 살펴보았고, 그 결과 앞전 와류, 와류 짝 현상, 와류 정체 현상과 같은 대표적인 물리 현상이 다양한 유동조건 하에서도 유사하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 곤충 날갯짓 비행의 정성적인 특성은 2차원 해석을 통해 어느 정도 예측 가능하나, 정량적인 특성을 분석하기 위해서는 3차원 효과를 반드시 고려해야 하며, 이를 위해 3차원 날개-몸통 전체 해석을 수행하였다. 곤충의 날갯짓 비행에서는 날개-와류, 와류-와류, 날개-몸통 상호작용이 나타남을 확인할 수 있었으며, 날개 길이 방향 유동의 존재와 역할, 그리고 복잡한 3차원 와류, 즉 와류 환의 구조를 파악할 수 있었고, 각각의 상호 작용을 통해 더욱 복잡한 물리적 현상이 나타남을 확인하였다. 그 중에서 날개-몸통 해석 결과는 날개만 해석한 결과와 정성적으로 유사하나 정량적으로는 차이를 나타냈으며, 이를 통해 곤충의 날갯짓 비행에서 날개-몸통 상호작용 역시 중요한 공력 발생 메커니즘임을 확인할 수 있었다. 또한, 몸통 받음각 및 날개 형상과 같은 기하학적 요소에 대한 파라메트릭 연구를 수행하였으며, 그 결과 역시 정성적으로는 유사하나 정량적으로는 의미 있는 차이를 나타냄을 확인할 수 있었다. 곤충 날갯짓 비행에서 관찰된 제자리 비행과 급격한 기동성은 초소형 날갯짓 비행체에 반드시 요구되는 비행 특성이다. 본 연구에서 분석한 곤충 날개의 구조 유연성에 대한 공기역학적 효과는 초소형 날갯짓 비행체 개발과정에서 공력 성능 개선 및 무게 감소 측면에서 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다. 더불어 본 연구에서 관찰된 3차원 날개-몸통-와류 상호작용에 의한 복잡한 유동 구조는 날갯짓 곤충의 급격한 기동성과 조종성을 설명할 수 있는 중요한 단서가 될 것으로 판단된다.The present thesis investigates the unsteady flow characteristics in insects flapping motion under forward flight condition. A realistic wing trajectory, called the figure-of-eight motion, is extracted from a blowflys (Phormia regina) tethered flight experiment. In the preliminary research, the two- and three-dimensional blowfly's wing motion were numerically investigated, and the results revealed interesting and distinctive vortical flow fields, which provided a decisive clue in understanding the rapid maneuverability of insects flight. Based on the previous work, two primary topics are discussed: the aerodynamic effect of structural flexibility in two-dimensional flapping wing motion and the three-dimensional unsteady aerodynamic features of wing-body-vortex interactions in insects' flapping flight. Interaction between a flexible flapping wing and the ambient fluid is of considerable importance in realistic flapping flight. In order to examine realistic flow features of insects flapping motion and to investigate aerodynamic change due to structural flexibility of insect wing, two-dimensional FSI (Fluid-Structure Interaction) simulations are conducted under a forward flight condition. Three types of airfoils are considered to reflect structural deformation. Compared with earlier studies regarding two-dimensional rigid airfoil simulations, the same key physical phenomena and flow patterns could be observed in flexible case. On the other hand, the quantitative aspect of flow fields is somewhat different. Structural deformation does affect aerodynamic force generation pattern, and thus structural flexibility has a significant impact on aerodynamic performance. Aerodynamic force coefficient and propulsive efficiency are enhanced compared to the case of a rigid airfoil. In addition, numerical simulations are performed to inspect effects of aerodynamic parameters such as the Reynolds number and reduced frequency. From extensive numerical comparisons, it is observed that key physical phenomena such as vortex pairing and vortex staying are still observed in other flow conditions. Three-dimensional unsteady aerodynamic features of wing-body-vortex interactions and the effects of geometric factors, such as wing shape and body angle, in insects' flapping motions are investigated under forward flight condition. From the authors' previous researches on two- and three-dimensional rigid wing simulation, it has been observed that the pattern of vortical flows and the interaction of vortices play a significant role in generating unsteady aerodynamic forces and determining the propulsive efficiency of flapping motion. Detailed numerical simulations of five types of wings are carried out under various body angles to examine unsteady flow characteristics resulting from the complicated wing-body-vortex interactions, and the results are compared with those of the wing only case. From numerical results, there exist three kinds of interactions in three-dimensional full-body simulations: wing-vortex interactions, vortex-vortex interactions and wing-body interactions. Also, it is revealed that realistic geometric considerations have a considerable influence on the aerodynamic force generation in insects flapping flight. Consequently, the aerodynamic effects of structural flexibility analyzed in this work can be beneficially exploited in the development of flapping micro-aerial-vehicles. Also, complicated wing-body interactions and geometric factors, such as body angle and wing shape, should be considered for investigating the aerodynamic performance of flapping flight and this can be used in the design of small sized aerial-vehicles as well.Chapter I Introduction 1 1.1 Research Background 1 1.2 Research Strategy 5 1.3 Outline of Thesis 7 Chapter II Numerical Approach 8 2.1 Governing Equations 8 2.1.1 Fluid Part 8 2.1.2 Solid Part 9 2.2 Pseudo-Compressibility Method 11 2.3 Spatial Discretization 15 2.3.1 Differencing of Inviscid Flux Terms 17 2.3.2 Upwind Differencing Method 18 2.3.3 Higher order spatial accuracy 23 2.4 Time Integration Method 23 2.4.1 Dual Time Stepping and Pseudo-Time Discretization 24 2.4.2 LU-SGS Scheme 28 2.5 FSI Coupling Methodology 31 2.5.1 Data Transfer on Fluid-Solid Boundary 31 2.5.2 Dynamic Grid Deformation Technique 32 2.6 Grid Motion 34 2.7 Kinematic Modeling 34 2.7.1 Insects Tethered Flight 34 2.7.2 Kinematic Modeling of Blowflys Tethered Wing Motion 35 2.8 Geometric Modeling and Boundary Condition 36 Chapter III Two-dimensional Flexible Insects' Wing 40 3.1 Validation 40 3.1.1 Validation of Baseline Solver 40 3.1.2 Validation of FSI Solver 42 3.2 FSI Simulation of Blowflys Tethered Wing Motion 44 3.2.1 Qualitative Comparison of Aerodynamic Characteristics 46 3.2.2 Quantitative Comparison on Aerodynamic Performance 50 3.2.3 Effects of Aerodynamic Parameters 51 Chapter IV Three-dimensional Insects Wing-body 53 4.1 Validation and Verification 53 4.2 Simulation of Blowflys Tethered Wing Motion 54 4.2.1 Overall Flow Features 55 4.2.2 Definition of Vortex Structure 57 4.2.3 Wing-Vortex and Vortex-Vortex Interactions 58 4.2.4 Wing-Body Interactions according to the Body AOA 59 4.2.4.1 Body Effect on the Wing 59 4.2.4.2 Wing Effect on the Body 60 4.2.4.3 Quantitative Comparisons on Aerodynamic Forces 61 4.2.5 Effects of Wing Shape 63 4.2.5.1 Effect of Wing Sectional Shape 63 4.2.5.2 Effect of Wing Planform 65 4.2.5.3 Quantitative Comparisons on Aerodynamic Forces 65 Chapter V Concluding Remarks 67 5.1 Summary 67 5.2 Future Works 69 References 71 국문초록 132Docto

Numerical Analysis on the Unsteady Aerodynamic Characteristics of Wing-Body-Vortex Interactions in Three-dimensional Insects Flapping Flight

본 논문에서는 검정금파리의 전진비행 시 나타나는 3차원 날개-와류-몸통 상호작용이 비정상 공력 특성에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 검정금파리의 날갯짓 비행은 낮은 레이놀즈수의 유동 영역에 해당되므로, 3차원 비정상 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 적용하였다. 본 연구에서는 3차원 날개-몸통 전체 해석을 수행하였으며, 복잡한 날개-와류-몸통 상호 작용으로 나타나는 비정상 공력 특성을 분석하기 위해 다양한 몸통 받음각 하에서 5가지 형상의 날개에 대한 수치해석을 수행하였고, 그 결과를 날개만 해석한 경우와 비교하였다. 또한, 실제 날개 형상 및 몸통 받음각이 곤충의 날갯짓 비행의 공력 발생에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.This paper investigates the unsteady aerodynamic features of wing-body-vortex interactions in three-dimensional insects' flapping motions under forward flight conditions. Since the flow field around the blowfly exhibits characteristics of low-Reynolds number flow, three-dimensional unsteady incompressible Navier-Stokes equations are employed as the governing equations. Detailed numerical simulations of five types of wings are carried out under various body angles to examine unsteady flow characteristics resulting from the complicated wing-body-vortex interactions, and the results are compared with those of the wing only case. Also, it is revealed that realistic geometric considerations have a considerable influence on the aerodynamic force generation in insects' flight.본 논문은 교육과학기술부 첨단사이언스 교육허 브개발사업(EDISON)의 지원(2011-0020559)과, 국토해양부 건설기술혁신사업 초장대교량사업단(08 기술혁신E01)의 연구비 지원으로 수행되었음.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2013-01/104/0000004648/6SEQ:6PERF_CD:SNU2013-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:TB1-2.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]:

Development of Distributed Computing Environment and Its Application to Evaluation of Flutter Onset Velocity of Bridge Deck Section

The purpose of this paper is the evaluation of the flutter velocity acting on a moving bridge deck section using so called the Distributed Computing Environment. The Distributed Computing Environment is a virtual organization supporting CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations for the users who have a lack of knowledge on CFD. The two-dimensional unsteady incompressible Navier-Stokes equations are used as the governing equations and moving mesh technique is used to model the movement of the bridge deck section to validate the research environment. Also, solution procedures for the flutter condition of structures that includes the computed unsteady aerodynamic forces are presented. The validation is examined by comparing the computed and experimentally evaluated flutter velocity.본 논문에서는 진동중인 교량 단면에 작용하는 풍하중을 산정하고 그에 따른 플러터 발생풍속을 예측하기 위하여 분산형 전산환경을 활용한 수치해석 연구를 수행하였다. 분산형 전산환경은 웹 포탈을 기반으로 수치해석 환경을 제공하는 일종의 수치풍동 시스템으로서, 전산유체역학 (CFD: Computational Fluid Dynamics) 에 대한 전문지식이 부족한 사용자들도 격자생성, 수치해석자를 이용한 계산, 가시화 등의 전 과정을 편리하게 수행할 수 있는 차세대 토목 분야 계산 환경이다. 본 연구 환경의 검증을 위해 수치해석자에 적용된 지배방정식은 2차원 비정상 Navier-Stokes 방정식으로서, 교량의 움직임을 모사하기 위하여 동적격자 기법을 도입하였다. 또한 계산된 비정상공기력을 적용하여 플러터 발생풍속을 산정하였으며, 그 결과는 기존의 실험결과와 잘 일치함을 확인하였다.본 연구는 국토해양부 건설기술혁신사업 초장대교량 사업(08기술혁신E01)의 연구비 지원으로 수행되었으며, 또한 국토해양부 건설기술혁신사업(09기술혁신E02)의 연구비 지원으로 수행되었음.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2011-01/102/0000004648/5SEQ:5PERF_CD:SNU2011-01EVAL_ITEM_CD:102USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:분산형_전산환경_개발_및_이를_활용한_교량단면의_플러터_발생풍속_산정.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]_YN:NCONFIRM:

A Parametric Study in Two-dimensional Insects" Flapping Flight Considering Structural Flexibility

곤충 날갯짓 비행에서 날개와 주위 유체 간의 상호작용은 공력특성을 결정짓는 매우 중요한 요소 중 하나이다. 본 논문에서는 검정금파리의 전진모사 비행에 대하여 2차원 유체-구조 연성 해석을 수행하였다. 날갯짓 곤충의 전진 비행 시 날개의 구조 변형이 공력에 미치는 영향을 살펴보고, 다양한 유동조건에 따른 파라메트릭 연구를 통하여 각각의 유동장 및 공력특성을 분석하였다. 이를 위하여 유체와 구조해석 모듈을 각각 독립적으로 구성하였고, 구조 변형으로 인한 유체 격자의 변형을 모사하기 위하여 동적격자 변형기법을 적용하였다. 또한 유체와 구조 격자 경계면에서 물리적 정보 전달을 위하여 Common refinement 기법을 적용하였다. 그 결과, 유연한 날개가 더 높은 공력특성을 나타냈으며, 파라메트릭 연구를 통해 다양한 유동조건하에서도 유사한 물리현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.Interaction between a flexible flapping wing and the ambient fluid is of considerable importance in insects flapping flight. In this paper, two-dimensional FSI (Fluid-Structure Interaction) simulations are conducted to examine aerodynamic change due to structural flexibility of insect wing and to investigate flow features of insects" flapping motion under various flight conditions. The fluid module and solid module are developed separately. A dynamic grid deformation technique based on Delaunay graph mapping is used to deform computational grids. Also, in order to exchange physical information to each module, the common refinement method is employed. Through these simulations, the flexible airfoil generate more aerodynamic forces than the rigid airfoil and it is observed that key physical phenomena are still observed in various flow conditions.본 연구는 한국연구재단을 통해 교육과학기술부 의 우주기초원천기술개발 사업(NSL, National Space Lab, 과제번호 20090091724)의 지원 및 국토해양부 건설기술혁신연구개발 초장대교량 사 업의 연구비지원(08기술혁신E01)에 의해 수행되 었음.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2011-01/104/0000004648/11SEQ:11PERF_CD:SNU2011-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:구조_유연성을_고려한_2차원_곤충_날갯짓_비행의_파라메트릭_연구.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]:

The Unsteady Aerodynamic Characteristics of Wing-Body-Vortex Interactions in Three-dimensional Insects Flapping Flight

This paper investigates the unsteady aerodynamic features of wing-body-vortex interactions in three-dimensional insects' flapping motions under forward flight conditions. Detailed numerical simulations of five types of wings are carried out under various body angles to examine unsteady flow characteristics resulting from the complicated wing-body-vortex interactions, and the results are compared with those of the wing only case. Also, it is revealed that realistic geometric considerations have a considerable influence on the aerodynamic force generation in insects' flight.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2014-01/104/0000004648/13SEQ:13PERF_CD:SNU2014-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:3차원 곤충 날갯짓.pdfDEPT_NM:기계항공공학부CONFIRM:

Development of e-Science-based Fluid Dynamics Software and Contents for Education and Research in Aerospace Engineering on the EDISON_CFD Portal

EDISON_CFD는 EDucation-research Integration through Simulation On the Net과 Computational Fluid Dynamics의 약자로 e-Science 인프라 기반의 항공우주분야 유체역학 교육·연구 환경을 지칭한다. 항공우주분야 유체역학 관련 연구는 다양한 국책사업들을 통해 많은 성과가 도출되었으며, 국내 대학을 비롯한 정부출연연구소 및 산업체에 많은 성과들이 축적되고 있다. 그러나 첨단 기술을 학생들에게 전달하기 위한 교육 콘텐츠는 매우 부족하다. 본 연구에서는 항공우주분야의 연구 성과를 활용하고 e-Science 기술의 장점을 극대화하여, 온라인상에서 활용 가능한 유체역학 관련 교육·연구용 SW 및 콘텐츠를 개발하고자 한다. 이를 통해 유체공학 분야 대학(원)생의 전산 해석 및 설계기술 적응력을 제고하고, 향후 국가 과학기술경쟁력을 높이는 우수한 연구 인력을 양성할 수 있을 것으로 기대한다.EDISON_CFD, an abbreviation of "EDucation-research Integration through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics", is a virtual organization in the e-Science environment to support education & research of fluid dynamics in aerospace engineering and related fields. Through national research projects, many valuable R&D results have been developed and accumulated in universities, industries, and research institutes. However, the educational contents for delivering advanced technologies to students still lack. The present work aims to establish the open platform of simulation software and contents for online education & research using results of the state-of-the-art techniques in aerospace engineering. This will fortify not only the capability of students but also the national strength in the fields of fluid engineering.이 논문은 2011년도 교육과학기술부의 재원으로 한국연구재단 첨단사이언스 교육허브개발사업의 지원을 받아 수행된 연구임(2011-0020558, 2011-0020559, 2011-0020560, 2011-0020565).OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2011-01/104/0000004648/27SEQ:27PERF_CD:SNU2011-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:e-Science_기반_EDISON_CFD_포탈의_항공우주분야_교육·연구용_유체역학_소프트웨어_및_콘텐츠_개발.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]:

EDISON_CFD : Development of e-Science-based Simulation Software and Contents for Education and Research in Fluid Engineering

EDISON_CFD, an abbreviation of "EDucation-research Integration through Simulation On the Net for Computational Fluid Dynamics", is a virtual organization designed to support the education research in fluid engineering on the e-Science environment. As the first step, our research group focuses on developing simulation software and contents based on numerical analyses. Through national research projects, many R&D results have been developed and accumulated in universities and research institutes. However, educational contents used for delivering advanced researches to inspire students still lack. Thus, development of software and contents for effective and advanced education & research is necessary. The present work aims to establish the platform of simulation softwares and contents for online education research in fluid engineering using the results of the state-of-art techniques. This will fortify not only the capability of students in fluid engineering but also the national strength in research.이 논문은 2011년도 교육과학기술부의 재원으 로 한국연구재단 첨단사이언스 교육허브개발사업 의 지원을 받아 수행된 연구임. (2011-0020559, 2011-0020561, 2011-0020562)OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2011-01/104/0000004648/21SEQ:21PERF_CD:SNU2011-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:EDISON_CFD__유체공학_교육·연구용_e-Science_기반_시뮬레이션_소프트웨어_및_콘텐츠_개발.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]:

Development of the Simulation Software and Contents for Education and Research in Fluid Engineering on the EDISON_CFD Portal

본 연구는 교육과학기술부 첨단 사이언스 교육 허브 개발 사업(2011-0020559, 2011-0020561,2011-0020562)의 지원으로 수행되었음.OAIID:oai:osos.snu.ac.kr:snu2011-01/104/0000004648/33SEQ:33PERF_CD:SNU2011-01EVAL_ITEM_CD:104USER_ID:0000004648ADJUST_YN:NEMP_ID:A001138DEPT_CD:446CITE_RATE:0FILENAME:EDISON_CFD_포탈의_유체공학_교육·연구용_시뮬레이션_소프트웨어_및_콘텐츠_개발.pdfDEPT_NM:기계항공공학부EMAIL:[email protected]:

Bio Text Mining Workbench combined with Active Machine Learning, Invited speech

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Morpho-syntactic Modeling of Korean with a Categorial Grammar

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