Numerical Analysis on the Unsteady Flow Characteristics in Insects Flapping Flight

Abstract

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.