본 논문은 유인 드론용 동축 반전(反轉) 프로펠러의 소음 분석 결과를 다룬다. 이 드론의 날개(에어포일)는 이전의 생체모방 날개 설계의 결과물이다. 동축 반전 프로펠러는 무인 드론의 프로펠러에 비해 승객의 편의를 고려하여 더 낮은 소음 수준으로 더 큰 추력력을 제공하도록 의도적으로 설계되었다. 측정된 추력력 계수는 Ansys CFX 19.0 소프트웨어를 사용한 정상상태(steady-state) 시뮬레이션 결과와 비교한다. 정상상태 시뮬레이션 결과를 초기 조건으로 하여, 시간의 영역에서 프로펠러 표면의 비정상 특성과 물리적 변수를 얻기 위해 비정상상태(unsteady-state) 해석을 수행한다. Matlab 소프트웨어에 구현된 FW-H 방정식을 사용하여, 원거리장의 공력음향 신호를 극좌표 좌표계(polar coordinate system) 기준으로 예측한다. 특정 관측 위치에서 계산된 음압 수준에 근거할 때, 동축 반전 프로펠러의 하류 소음은 상류 프로펠러보다 하류 프로펠러가 상호작용 효과로 인해 더 큰 기여를 하는 것으로 관찰된다.

본 연구에서는 유사생체(eagle-wing) 날개형 프로펠러를 설계하고, 유인 드론에 필요한 탑재하중을 제공하기 위하여 4쌍의 동축 반대방향 회전(counter-rotating) 프로펠러 시스템에 적용하였다. 모형 시험을 통해 공력 및 소음 특성을 규명하였으며, Ansys CFX 19.0 소프트웨어를 사용한 수치해석 결과와 비교하였다. 또한 허브 인근의 솔리드 형상을 수정하여 유사생체 블레이드를 보강하기 위해 구조해석도 수행하였다. 동축 반대방향 회전 프로펠러 시스템의 공력 성능은 두 프로펠러 간 거리와 하부 프로펠러의 피치 각을 변화시키면서 추력 힘(thrust forces) 관점에서 측정하였다. 실험 결과, 최적의 공력 성능은 하류(downstream) 프로펠러의 피치 각이 상류(upstream) 프로펠러보다 5° 더 큰 경우, 그리고 두 반대방향 회전 프로펠러 간 무차원 거리(non-dimensional distance)가 0.3인 경우에서 확인되었다.

본 논문은 유압 시스템의 압력 데이터 기반 정밀 유량 제어에 관한 실험적 연구의 결과이다. 특히 스풀 밸브 내 스풀이 열리기 시작하는 낮은 대역의 유량의 유동 특성을 분석하며, 이 결과와 압력신호를 기반으로 정밀 유량 제어를 실현하는 데 목표가 있다. 먼저 스풀 상의 노치의 개구 변위에 따른 유동 특성은 전산 유체해석 및 실험 데이터를 통해 데이터 곡면 모델 매핑을 수행한다. 수치 해석은 상용 CFD 소프트웨어 FLUENT 18.1을 사용하였다. 스풀의 변위는 노즐 플래퍼 방식 서보 밸브를 통해 정밀하게 제어되며, 피드백 컨트롤러는 오픈소스 하드웨어인 Arduino Uno로 설계 및 구현되었다. 본 연구를 통해 CFD 분석 데이터베이스를 활용한 저 유량 범위의 유압 밸브제어가 비교적 정밀하게 가능함을 검증하였다.

축류 팬의 공력 및 공력소음(aeroacoustic) 성능을 동시에 향상시키기 위한 다학제적 최적화를 수행하였다. 축류 팬 내부 유동 해석은 shear-stress transport 난류 모델을 적용하여 3차원 정상 및 비정상 Reynolds-averaged Navier–Stokes 방정식을 풀어 수행하였다. 비정상 유동에 대한 결과로부터 시작하여, Ffowcs Williams–Hawkings 방정식을 풀이함으로써 공력소음 해석을 수행하였다. 고효율 설계를 위한 단일목적 최적화를 먼저 수행한 후, 다목적 최적화를 수행하였다. 단일목적 최적화는 허브-팁 비, 허브캡 설치 거리, 허브캡 비, 그리고 중간 스팬과 블레이드 팁에서의 각도 분포를 정의하는 5개의 설계 변수를 사용하는 가중 평균 surrogate 모델을 통해 수행하였다. 목적함수(즉, 효율)는 설계 공간에서 Latin hypercube sampling으로 표본화된 설계점에서 평가하여 surrogate 모델을 구성하였다. 그 다음, 단일목적 최적화 결과를 바탕으로 효율을 향상시키고 음압 수준을 감소시키기 위해, 블레이드 팁의 스윕(sweep) 및 린(lean) 각도를 정의하는 2개의 설계 변수를 갖는 응답표면 근사 surrogate 모델과 결합된 하이브리드 다목적 진화 알고리즘을 사용하여 다목적 최적화를 수행하였다. 이러한 목적함수는 공력 및 공력소음 해석을 통해 수치적으로 평가되었다. 파레토 최적해에서 임의로 선택한 최적 설계들은 기준 설계에 비해 효율은 증가시키고 음압 수준은 감소시키는 것으로 나타났다.

16채널 어레이 마이크로폰을 이용하여 난류 유동장 내 벽면 압력섭동에 대한 측정을 수행하였다. 본 실험에 사용된 코팅재질은 약 50 ppi (pores per inch)의 다공성 구조로 이루어진 우레탄 물질로 이루어져 있다. 코팅의 주된 목적은 난류 유동장 내 최소한의 공간을 유지하면서 대류속도로 진행하는 난류 와들을 필터링하는 역할을 하는 것이다. 평판 위 경계층의 측정은 열선 유속계를 이용하였으며 표면 마찰계수 값을 얻기 위해 CPM법을 사용하였다. 벽압력 스펙트럼과 파수-주파수 스펙트럼 측정은 코팅에 의해 얼마나 에너지가 저감되는 지를 비교하기 위해 사용되었다. 벽면 코팅은 대류하는 무차원 벽면섭동압력에너지를 저감시켰지만, 컴플라이언트 코팅된 벽면 거칠기로 인해 일반 강체 평판에 비해 상대적으로 발달된 경계층을 형성하였으며 벽면 평균전단응력과 저주파수 압력스펙트럼 레벨도 함께 증가하였다.

본 논문은 Ffowcs Williams-Hawkings 방정식을 기반으로 한 계산 유동 음향(computational aero-acoustics)을 이용하여 축류 팬의 3차원 소음 분석을 위한 체계적인 절차를 제시한다. 상용 코드 ANSYS CFX 11.0을 사용하여 기본 팬 모델의 유동장을 3차원, 비정상, 레이놀즈 평균 나비에-스톡스 방정식을 풀어 시뮬레이션한다. 정상 유동 결과로부터 시작하여, 비정상 유동 해석을 수행함으로써 축류 팬 블레이드 표면의 지정된 국소(local) 지점들에서 시간 영역의 변동 압력을 추출한다. 회전하는 블레이드에 의해 교란된 밀도파는 관측자 위치에 도달하며, 이는 Ffowcs Williams-Hawkings 방정식에 기반한 사내 소음 예측 소프트웨어를 통해 시뮬레이션된다. 축류 팬의 상세 원거리장 소음 신호를 음원 유형, 장(field) 특성, 그리고 보간(interpolation) 기법의 관점에서 분석한다.

본 논문은 유인 드론용 동축 반전(反轉) 프로펠러의 소음 분석 결과를 다룬다. 이 드론의 날개(에어포일)는 이전의 생체모방 날개 설계의 결과물이다. 동축 반전 프로펠러는 무인 드론의 프로펠러에 비해 승객의 편의를 고려하여 더 낮은 소음 수준으로 더 큰 추력력을 제공하도록 의도적으로 설계되었다. 측정된 추력력 계수는 Ansys CFX 19.0 소프트웨어를 사용한 정상상태(steady-state) 시뮬레이션 결과와 비교한다. 정상상태 시뮬레이션 결과를 초기 조건으로 하여, 시간의 영역에서 프로펠러 표면의 비정상 특성과 물리적 변수를 얻기 위해 비정상상태(unsteady-state) 해석을 수행한다. Matlab 소프트웨어에 구현된 FW-H 방정식을 사용하여, 원거리장의 공력음향 신호를 극좌표 좌표계(polar coordinate system) 기준으로 예측한다. 특정 관측 위치에서 계산된 음압 수준에 근거할 때, 동축 반전 프로펠러의 하류 소음은 상류 프로펠러보다 하류 프로펠러가 상호작용 효과로 인해 더 큰 기여를 하는 것으로 관찰된다.