The mutual interference of a vortex ring can be categorized into complete coalescence, partial coalescence, complete mutual slip-through, partial mutual slip-through, non mutual slip-through. Coalescence can easily be seen in a jet flow, while the tip vortex pairing of a helicopter rotor is a good example of a slip-through. These interferences appear in a flow induced by rotating objects such as a helicopter rotor or a jet flow. Their characteristics are a critical factor in such issues as performance and noise. A precise modeling technique and a high resolution numerical scheme are required for the analysis of the behavior of these interferences, due to highly non-linear complexity involved.
Vortex instability of one, two and continuous perturbed ring model are investigated using a vortex filament method. Biot-Savart’s Law is adopted as the governing equation. Core of the filament is assumed variable. The cut-off theory and a three-dimensional high order regularization function are used to remove singularities. Discretized vortex filaments are interpolated using a parabolic blending function to remove possible numerical instability. Based on the computational model, more stable solution can be obtained. The instability of single perturbed vortex ring compares with previous studies. The predicted results are in good agreement with previous calculated data. In addition, the interaction of two perturbed coaxial vortex rings, one with a constant core and one with a variable core is studied. Asymmetry perturbed modes are also calculated and effects of perturbed frequencies are studied. Based on the computational results, vortex ring instability is characterized.
Applications are made for the wake behavior of a hovering bird or insect by using real morphologic data. The wake including upwind is simulated by continuous vortex rings in terms of feathering parameter on the stroke plane. As the strength of upwind increases, the status can be categorized three groups such as helicopter mode, vortex ring state mode, windmill mode and the typical bundle type slip through happens.
비정상으로 거동하는 와류흐름에 대한 연구를 비압축성, 비점성의 가정으로 수행하였다. 완전한 삼차원 거동을 하는 교란을 포함한 고리와를 와선으로 표현하여 해석하였다. Biot-Savart 식에서 특이점(singularity)를 제거를 위한 3차원 High order smoothing 함수를 추가하여 지배방정식으로 사용하였다. 지역적인 곡률이 와선에 크게 영향을 미치는 본 연구의 특성상 와선의 수치적 안정을 위해 매개혼합함수를 이용하였다. 본 연구에서의 수치모사는 엄밀해 및 이전 연구자의 연구결과와 비교하여 정확성을 입증하였다.
교란을 포함한 고리와의 불안정성은 자체적으로 유도되는 회전 유동과 고리와에 의해서 유도되는 회전 유동이 균형을 이룰 경우 교란 에너지가 유동 흐름 방향으로 발산하는 것을 의미한다. 이러한 고리와의 불안정성을 한개의 고리와 및 두개의 고리와, 연속 고리와에 대해 그 특성을 살펴보았다.
교란을 포함한 한개, 두개 및 연속고리와 거동 해석을 통해 고리와 불안정성과 개구리뜀 거동과 같은 물리적 현상들이 관찰되었으며, 실험치 등과 비교결과 가변코어모델의 우수성이 입증되었다. 연속고리와 해석에서는 bundle slip through 현상이 새로이 규명되었으며, 이는 교란을 포함하는 경우에도 동일하였다.
본 연구에서는 초기 단순화된 고리와 모델로 확인된 현상들이 점차 복잡한 모델링에 접어들면서 현상이 규명되고 새로운 결과가 관찰되었다. 이는 본 연구의 연구배경에서 밝힌 바와 같이 단순화된 모델에서 주의할 요소인 연구 결과 생성에 필요한 가정의 극단화나, 주요 변수의 왜곡이 없었으므로 의미있는 결과라고 할 수 있다. 날아가는 새나 헬리콥터 로터는 회전을 하면서 플래핑, 페더링 등의 교란이 주어진다. 이러한 교란은 본 연구의 응용으로 실제적 현상의 규명이 가능하다. 또한 MAV, UAV 등과 같은 초소형 회전체의 설계에도 응용이 가능할 것으로 보인다. 실제로 후류 형상에 교란을 가할 경우 성능 특성이 향상된다는 것이 실제 공학에 적용되는 만큼, 향후 설계 적용을 위한 parametric study가 추가로 수행되어야 할 것으로 보인다.
