Performance Evaluation and Flow Visualization for Optimum Design of Helical Propeller

Abstract

저 레이놀즈수영역에서 작동하는 Micro-swimmer을 추진시키기 위한 추진체로 박테리아의 편모를 모사하여 만든 편모형(나선형)프로펠러의 성능에 미치는 요인을 형상적인 측면과 운영환경적인 측면에서 연구를 수행하였다. 뿐만 아니라 유동가시화를 통하여 유동가시화를 통하여 프로펠러 주위의 유동특성을 파악하고자 하였다. 이를 위하여 Macro-scale 편모형 프로펠러 모델을 제작하여 실험적으로 성능을 측정하고 3차원 속도측정 방법인 Stereoscopic Particle Image Velocimetry를 이용하여 유동가시화 연구를 수행하였다. 측정된 추력은 이전 연구결과와 잘 일치 하는 것을 확인하였고, 추력, 토크 및 속도를 측정하고 이를 이용하여 효율을 계산하였다. 성능 측정결과 피치 각도가 약 50°에서 가장 좋은 추력을 나타내고, 길이방향 속도 역시 가장 크게 측정되었다. 하지만 토크는 피치 길이가 길어질수록 (피치 각도가 줄어들수록) 감소하는 것을 관찰하였다. 그리고 운영 속도에 따른 추력, 토크를 측정한 결과 값이 선형적으로 변하였다. Stereoscopic PIV을 이용하여 유동장을 가시화한 결과 피치 길이에 따라서 유동패턴(유선)이 크게 달라지는 것을 관찰 하였다. 하지만 운영 속도(회전 각속도)에 따라서는 크기만 변하고 유동패턴은 변하지 않는다. 이와 같은 연구결과는 생체의공학(biomedical) 응용을 목적으로 하는 Micro-swimmer 추진용 프로펠러 제작을 위한 참고 자료로 이용될 수 있다.

To drive a small object which swims in low Reynolds number situation, we need a new type of propeller which is optimized for low Reynolds number usage since the flow at low Reynolds numbers is dominated by viscous force instead of inertia force. Propeller in a shape of bacterial flagellum can be a strong candidate for propeller of small swimming object. In this paper, we visualized velocity field induced by helical (flagellar-type) propeller using stereoscopic particle image velocimetry. We also have experimentally evaluated the effect of pitch and rotational speeds on the performance of helical propeller inspired by flagellum of E.coli using macroscopic model. Silicone oil whose viscosity is 100 times larger than water is used as working fluid to make low Reynolds number situation using macroscopic model. Thrust, torque and velocity were measured as a function of pitch and rotational speed, and efficiency was calculated using measured results. We found that the maximum efficiency of helical propeller reaches where the pitch angle is about 50°. However, the effect of rotational speed on the efficiency is relatively smaller than that of pitch. And the flow pattern behind the rotating propeller was altered by pitch of the propeller.