[논문 리뷰] Biologically inspired force enhancement for maritime propulsion and maneuvering

Gabriel D. Weymouth|ePrints Soton (University of Southampton)|2016. 09. 21.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 14인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 제어된 소용돌이도 조절을 통해 비정상적인 유체력 생성을 최적화하여 고효율의 해양 추진 및 조종을 위한 생물학적으로 영감을 받은 형태 변화 메커니즘을 제안한다. 빠른 형태 변화—예를 들어 타원형으로 배열된 날개 진동, 날개 수축, 몸체 수축—을 활용함으로써 이 시스템들은 최대 91%의 준추진 효율과 68%의 빠른 가속 조작 효율을 달성하며, 전통적인 고정형 구조 시스템을 크게 능가한다.

ABSTRACT

The move to high performance applications greatly increases the demand to produce large instantaneous fluid forces for high-speed maneuvering and improved power efficiency for sustained propulsion. Animals achieve remarkable feats of maneuvering and efficiency by changing their body shape to generate unsteady fluid forces. Inspired by this, we have studied a range of immersed bodies which drastically change their shape to produce fluid forces. These include relatively simple shape- changes, such as quickly changing the angle of attack of a foil to induce emergency stops and the use of tandem flapping foils to generate three times the average propulsive force of a single flapping foil. They also include more unconventional shape-changes such as high-speed retracting foil sections to power roll and dive maneuvers and the use of soft robotics to rapidly shrink the frontal area of an ellipsoid to power 68% efficient fast-start maneuvers or even completely cancel the drag force with 91% quasi-propulsive efficiency. These systems have been investigated with analytics, experimental measurements and immersed-boundary numerical simulations.

연구 동기 및 목표

• 고속 조작성과 에너지 효율성에서 전통적인 고정형 날개 및 고정형 추진기 해양 차량의 한계를 해결하기 위해.
• 동물에서 영감을 받은 비정상적이고 형태가 변화하는 메커니즘이 최소한의 에너지 손실로 큰 유체력 생성이 가능한지 탐구하기 위해.
• 해양 응용 분야에서 추진력 향상, 항력 감소, 추진 효율 향상을 위한 단순한 구동 전략을 개발하고 검증하기 위해.
• 소용돌이 생성과 유체 관성에서의 추가 질량 복구가 고성능 유체력 생성을 가능하게 하는 역할을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 유체-체 상호작용을 연구하기 위해 분석 모델, 실험 측정 및 침습 경계 수치 시뮬레이션(Lily Pad CFD 소프트웨어)을 사용하였다.
• 이동하고 변형되는 체에 대한 비정상적 유동을 시뮬레이션하기 위해 직교격자 위에 경계 데이터 침입 방법을 적용하였다.
• 성능를 특성화하기 위해 형태 변화 수(Ξ), 수축 파라미터(σ*), 스트라우하우저 수(St), 레이놀즈 수(Re)와 같은 주요 무차원 수를 정의하였다.
• 추진력 향상과 힘 변동 감소를 위해 위상 지연 운동(φ = 1.75π)과 간격(s = 2c)을 최적화한 타원형으로 배열된 날개 진동을 조사하였다.
• 큰 소용돌이를 생성하고 20% 이내의 몸체 길이 이내에 급정지가 가능한 비상 정지 기능을 구현하기 위해 날개의 급격한 피치업을 탐색하였다.
• 수축 가능한 날개와 몸체 수축(예: 문어에서 영감을 받은 차량)을 모델링하여 유체 추가 질량 에너지를 복구하고 고추력 빠른 가속을 생성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적화된 위상 지연과 간격을 가진 타원형으로 배열된 날개 진동 시스템이 단일 날개 진동 시스템에 비해 추진력 향상과 힘 변동 감소에 뚜렷한 기여를 할 수 있는가?
• RQ2 날개의 급격한 피치업 또는 수축과 같은 빠른 형태 변화가 얼마나 큰 유체력 생성과 조작성 향상에 기여하는가?
• RQ3 몸체의 전면적 면적 감소가 빠른 가속 조작에서 유체 추가 질량 복구와 추진 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 소용돌이 소멸 또는 유체 관성에서의 에너지 복구를 사용할 경우 도달 가능한 최대 준추진 효율은 얼마인가?
• RQ5 형태 변화 메커니즘은 고속 및 고효율 영역에서 기존의 추진 시스템과 비교해 성능 수준을 도달하거나 초월할 수 있는가?

주요 결과

• 위상 지연 1.75π와 간격 2c를 가진 타원형으로 배열된 날개 진동 시스템은 단일 날개 진동 시스템보다 평균 추진력의 최대 3배를 생성하였다.
• 빠른 날개 피치업은 날카로운 형태의 몸체가 길이의 20% 이내에서 정지할 수 있도록 하여 소용돌이 생성을 통한 고력 비상 브레이킹을 입증하였다.
• 유선형 평면도를 가진 수축 가능한 날개는 반대 부호의 소용돌이를 생성하여 유한한 소용돌이를 상쇄시켜 항력 취소를 가능하게 하였으며, 이로 인해 91%의 준추진 효율을 달성하였다.
• 문어에서 영감을 받은 수축 가능한 차량은 최고 속도 2.7 m/s(10L/s)를 기록하였으며, 진공 상태에서 로켓보다 높은 준추진 효율 68%를 보였다.
• 운동 중에 수축 파라미터 σ* > 77가 확인되어 점성 확산이 극복되었고, 효과적인 유체 추가 질량 에너지 복구가 가능함을 입증하였다.
• 운동 에너지 대 제트력의 비율은 53%에 도달하였으며, 가속 시스템에서 최적의 에너지 복구를 위한 이론적 예측과 매우 유사하였다.