In the preliminary design phase of flapping-wing air vehicle, it is necessary to predict the aerodynamic forces and moments acting on an unsteady wing under specific flow field: low Reynolds number, $\bf{O}(10^5)$, moderate unsteadiness, k=0~0.1. For instance, black-billed magpie or pigeon in nature experiences the same flow field. We expect flapping-wing aerodynamic model to be a system block for multidisciplinary analysis (e.g. fluid-structure interaction, nonlinear flight simulation and control), which gives lift, thrust and moment as outputs with respect to inputs; wing geometric parameters, wing kinematic parameters, flow characteristics. Moreover it is sufficiently efficient to save computational cost and accurate to represent the physical phenomena of flapping-wing aerodynamics. It can be introduced by theoretical formulation based on potential theory, wind tunnel testing (WTT), and computational fluid dynamics (CFD), and it is indispensable to specify the range of model validity by WTT or CFD.
In this study, we introduced flapping-wing aerodynamic model, modified strip theory (MST) which is semi-empirical model, applicable to large amplitude flapping motion. We designed and developed the experimental device to evaluate the range of MST-model validity, by introducing two factors: normalized mean absolute percent error, and modal assurance criterion in time. In addition, aerodynamic moment predicting model for large amplitude wing motion inside MST is improved by matching the experimentally achieved center of pressure at the maximum resultant angle of attack under dynamic pitching wing motion.
날갯짓 비행체의 초기 설계 시, 저 레이놀즈 수, $\bf{O}(10^5)$, 비정상 유동, k=0~0.1에서 날갯짓 운동에 의해 생성되는 공기역학적 힘과 모멘트를 예측할 필요가 있다. 이러한 유동 영역에서 비행하는 자연계 비행체는 까치, 비둘기 정도의 크기를 갖는다. 날갯짓 비행체 공력모델, 혹은 플래핑 날개 공력모델은 유체-구조 연계를 고려한 날개 설계 및 비선형 제어 시뮬레이션과 같이 다분야 통합 해석 수행 시 물리적인 현상을 효과적으로 반영하며, 계산시간을 단축시켜준다. 날갯짓 비행체 공력모델은 특정 유동조건 하에, 날개의 형상학적 변수, 운동학적 변수에 따른 양력, 추력 및 모멘트에 대한 정보를 제공한다. 일반적으로 날갯짓 비행체 공력모델은 포텐셜 이론을 바탕으로 수식 전개가 이루어지거나, 풍동실험, 전산유체역학적 기법을 통해 수립되며, 공력모델은 풍동실험 및 전산유체역학 해석을 통해 모델의 적용 범위 및 타당성을 검증하게 된다.
본 연구에서는 플래핑 날개 공력모델로서 Modified Strip Theory(MST)를 채택하였으며, 이 모델은 semi-empirical model로 큰 진폭을 갖는 날갯짓 운동에 의한 공력 예측에 탁월하다. 하지만 아직까지 저 레이놀즈 수 영역에서 이 모델에 대한 실험적 검증이 체계적으로 이루어지지 않았기 때문에, 본 연구에서 MST 모델을 실험적으로 검증할 수 있도록 실험장치를 설계 및 개발하였다. 실험결과와 MST모델 해석 결과는 Normalized Mean Absolute Percent Error와 Modal Assurance Criterion in time의 두 인자를 통해 정량적으로 비교 분석 되었으며, Re~O(10000), k=0~0.1 영역에서의 타당성을 입증하였다. 추가적으로, 피칭 운동이 있는 경우 동적 실속 모델을 추가 및 실험적으로 검증 하였으며, 큰 진폭을 갖는 운동이 있는 날개의 경우, MST 모멘트 예측 모델을 실험적으로 얻어진 합성받음각에 따른 압력 중심 이동패턴을 반영하여 개선 하였다.
