[논문 리뷰] On the propulsive performance of pitching flexible plates with varying flexibility and trailing edge shapes

Guojun Li, Gaël Kemp외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 03. 02.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 63인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 다양한 尾縁 각도(45°, 90°, 135°)와 유연성을 가진 3차원 편향 유연판의 추진 성능을 조사하며, 최적의 추력은 주파수 비율 f* = 1(공진 조건) 근처에서 발생하고, 최고 효율은 f* = 1.54에서 나타남을 발견함. 볼록형 尾縁과 중간에서 높은 스티프니스는 압력 기울기 재분포와 비어드 동역학을 통한 동역학적 운동량 이행을 통해 추력과 효율을 향상시킴.

ABSTRACT

In this paper, we numerically investigate the propulsive performance of three-dimensional pitching flexible plates with varying flexibility and trailing edge shapes. To eliminate the effect of other geometric parameters, only the trailing edge angle is varied from 45° (concave), 90° (rectangular) to 135° (convex) while maintaining the constant area of the flexible plate. We examine the impact of the frequency ratio f* defined as the ratio of the natural frequency of the flexible plate to the actuated pitching frequency. Through our numerical simulations, we find that the global maximum mean thrust occurs near f*=1 corresponding to the resonance condition. However, the optimal propulsive efficiency is achieved around f*=1.54 instead of the resonance condition. While the convex plate with low and high bending stiffness values shows the best performance, the rectangular plate with moderate bending stiffness is the most efficient propulsion configuration. Through dynamic mode decomposition, we find that the passive deformation can help in redistributing the pressure gradient thus improving the efficiency and thrust production. A momentum-based thrust evaluation approach is adopted to link the instantaneous vortical structures with the time-dependent thrust. When the vortices detach from the trailing edge, the instantaneous thrust shows the largest values due to the strong momentum change and convection process. Moderate flexibility and convex shape help transfer momentum to the fluid, thereby improving thrust generation and promoting the transition from drag to thrust. The increase of the trailing edge angle can broaden the range of flexibility that produces positive mean thrust.

연구 동기 및 목표

• 3차원 편향 유연판의 추진 성능에 미치는 尾縁 형상과 유연성의 영향을 분석하기 위해.
• 판 면적을 일정하게 유지하면서 尾縁 각도(45°, 90°, 135°)의 영향을 분리하여 분석하기 위해.
• 최대 추력과 효율을 위한 최적의 주파수 비율 f* (자연주파수 대 구동주파수 비율)를 규명하기 위해.
• 수동 변형이 압력 기울기 재분포와 운동량 이행에 미치는 역할을 이해하기 위해.
• 운동량 기반 평가 방법을 사용하여순간 추력과 비어드 구조의 동역학 간 관계를 연결하기 위해.

제안 방법

• 고정된 면적과 다양한 尾縁 각도를 가진 3차원 유연판에 대해 수치 시뮬레이션을 수행함.
• 주파수 비율 f*를 체계적으로 변화시켜 추력과 효율에 미치는 영향를 평가함.
• 유동 구조와 변형 동역학을 분석하기 위해 동적 모드 분해(DMD)를 적용함.
• 시간에 따라 변화하는 추력과 비어드 탈리 및 이행 간의 상관관계를 분석하기 위해 운동량 기반 추력 평가 방법을 사용함.
• 판을 제어된 주파수로 편향 운동으로 구동하며, 굽힘 강성 조절을 통해 유연성 조절함.
• 모든 다른 매개변수를 일정하게 유지함으로써 기하학적 및 동적 효과를 분리함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 尾縁 각도(45°, 90°, 135°)가 유연판의 평균 추력과 추진 효율에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 편향 유연판에서 추력과 효율을 최대화하기 위한 최적의 주파수 비율 f*는 무엇인가?
• RQ3 수동 변형은 압력 기울기 분포와 운동량 이행에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 비어드 탈리와 순간 추력 생성 간의 관계는 무엇인가?
• RQ5 유연성과 尾縁 형상의 어떤 조합이 추력과 효율 측면에서 가장 높은 성능을 낼 수 있는가?

주요 결과

• 전반적인 최대 평균 추력은 f* = 1 근처에서 발생하며, 이는 공진 조건에 해당함.
• 최적의 추진 효율은 공진 조건이 아닌 f* = 1.54에서 도달함.
• 낮고 높은 굽힘 강성을 가진 볼록형 판(135°)이 가장 우수한 추력 성능 보여줌.
• 중간 굽힘 강성을 가진 직사각형 판(90°)이 가장 높은 추진 효율 달성함.
• 수동 변형은 압력 기울기를 재분포시켜 추력과 효율을 모두 향상시킴.
• 尾縁 각도를 증가시킴으로써 양의 평균 추력을 생성하는 유연성의 범위가 넓어짐.