In this study, the unsteady aerodynamic characteristics of a flexible flapping wing undergoing hovering flight was studied. Although a rectangular wing planform was used, the wing could exhibit similar wing deformation features as natural fliers; negative wing twist and positive camber. This wing deformation was possible by designing the wing root to have an offset angle termed the slack angle. A dynamically scaled-up robotic wing model equipped with a six-axis sensor was immersed a 3-ton water tank to measure the time-varying aerodynamic forces and moments. The digital particle image velocimetry (DPIV) technique was deployed to observe the vortical structures around the wing. The rigid wing was included throughout this study to help understand the contribution of wing deformation in unsteady aerodynamics.
First, the aerodynamic load characteristics of the flexible wing revealed that the presence of wing deformation caused the pressure forces to act in the tangential and normal directions. This effect resulted in the effective angle of attack range to be beyond the 90° for the flexible wing case. To this end, the existing aerodynamic model, which was built for the rigid wing, was revised to account for wing flexibility. The newly-extracted force coefficients were well-fitted with a cubed-sine function. The model was rigorously validated with various wing kinematics, giving a good estimation of the experimental results. The estimated error was less than 5%, 6%, and 8% for the lift, drag, and moment, respectively, considering fast to moderate wing kinematics.
Based on the revised model, the optimum angle of attack for maximum lift generation was experimentally obtained for each change in slack angle. An increase in slack angle tend to increase the optimum angle of attack for maximum lift generation. However, the practical angle of attack for application in flapping wing micro-air vehicles (FWMAVs) was found to be from 75° to 85°. Generally, the flexible wing generated less drag, consumed less power, and was more efficient than the rigid wing. This was an indication that the presence of wing flexibility requires natural fliers and FWMAVs to undertake less pitching motion in order to reduce the mechanical power and increase the efficiency of their wings. In addition, there was a conspicuous phase delay between the aerodynamic characteristics of the rigid and flexible wings. The delay was found to be very sensitive to wing kinematics.
In order unravel the effects of wing kinematics on the unsteady aerodynamic characteristics, experiments were conducted with two main wing kinematic parameters, sweep duration and timing of wing rotation. This study found that the conspicuous phase delay in the flexible wing was more sensitive to the change in sweep duration than the timing of wing rotation. The transient negative lift associated with rigid wings undergoing delayed and advanced wing rotations were observed to have totally disappeared in the flexible wing case. In general, the flexible wing with symmetric and delayed wing rotations generated the highest wing efficiency. The corresponding net force vectors were observed to be tilted in an almost vertical direction for the flexible wing in comparison to the rigid wing. The vorticity distribution at the middle of stroke revealed a slight difference in the vortical structures surrounding the rigid and flexible wings in terms of proximity to the shed trailing-edge vortices (TEVs). The linearly twisted nature of the flexible wing caused the TEVs at the outboard section of the wing to be closer to the surface of the wing. The wing twist again caused the coherent leading-edge vortex (LEV) to be stable along the wingspan, and caused the vortex lift to be sustained at the outboard section of the flexible wing regardless the aspect ratio AR. The finding in this study shows that the wing twist of natural fliers could help generate and sustain sufficient amount of lift at the outboard wing sections. Thus, the spanwise deformation of their wings could be an essential wing feature for maintaining the LEV stability across the wingspan even with high AR wing.
본 연구에서는 제자리 비행을 하는 유연 플래핑(Flapping) 날개의 비정상 공력 특성에 관한 연구가 수행되었다. 사용된 날개는 직사각형 평면을 갖지만, 자연계 비행 동물과 유사한 날개 변형 특징(음의 날개 비틀림, 양의 캠버)을 나타낼 수 있으며, 이러한 날개 변형은 날개 루트(Root)가 슬랙(Slack) 각도라는 오프셋 각도를 갖도록 설계함으로써 가능하다. 6축 센서를 장착하고 있고 동역학적으로 스케일업(Scale-Up) 된 로봇 날개 모델을 3t 수조에 담가 시간에 따라 변화하는 공기역학적 힘과 모멘트를 측정했다. 또한, 디지털 입자 영상 유속계(Digital Particle Image Velocimetry, DPIV) 기술은 날개 주변의 와류 구조를 관측하기 위해서 이용되었다. 날개 변형이 비정상 공력에 미치는 영향에 대한 이해를 돕도록 연구 전반에 걸쳐 강체 플래핑 날개에 관한 내용을 포함했다.
유연 날개는 날개 변형이 존재하기 때문에 압력이 접선 및 수직 방향으로 모두 작용하는 공기역학적 하중 특성을 보인다. 이 효과는 강체 날개를 위한 공력 모델에 유연 날개를 적용하는 경우 유효 받음각의 범위가 90°를 넘도록 만든다. 따라서, 기존의 공력 모델은 날개 유연도를 고려하여 수정되었다. 새롭게 추출된 힘 계수는 사인함수의 세제곱과 잘 맞으며, 해당 모델은 다양한 날갯짓 운동에 대해 검증되었으며 실험 결과와 높은 일치도를 보였다. 공력 모델은 빠르고 중간 속도의 날개 운동학에 대해 양력, 항력 및 모멘트를 추정했으며 각각 5%, 6% 및 8% 미만의 오차를 보였다.
수정된 모델에 기반하여 슬랙 각도를 변화시키며 최대 양력 생성을 위한 최적 받음각을 실험적으로 구했다. 슬랙 각도가 증가함에 따라 최대 양력 생성을 위한 최적 받음각 또한 증가하는 경향이 나타났으나, FWMAVs (Flapping Wing Micro-Air Vehicles)에 적용하기 위한 실용적인 받음각은 75°에서 85° 사이에서 찾아졌다. 일반적으로 유연 날개는 강체 날개와 비교하여 항력이 작고 에너지 소모가 적으며 효율적이다. 이는 날개 유연도가 자연계의 비행 동물 및 FWMAVs의 기계적 힘을 줄이고 날개 효율을 높이기 위해 더 적은 피칭(Pitching) 운동을 요구함을 보여준다. 또한, 유연 날개와 강체 날개의 공기역학적 특성 사이에는 뚜렷한 위상 지연이 나타나며, 이러한 지연 효과는 날개 운동학에 매우 민감한 것으로 밝혀졌다.
날개 운동학이 비정상 공력에 미치는 영향을 밝히기 위해 스윕 지속 시간(Sweep Duration)과 날개 회전 시기(Timing of Wing Rotation)라는 두 가지 주요 매개변수를 사용하여 실험을 수행했다. 본 연구에서 유연 날개의 위상 지연은 날개 회전 시기보다 스윕 지속 시간의 변화에 더 민감하다는 것이 발견되었다. 강체 날개의 회전이 지연되거나 선행될 때 나타나는 일시적인 음의 양력은 유연 날개의 경우에 완전히 사라짐이 관측되었다. 일반적으로 날개 회전이 대칭이고 지연된 유연 날개의 경우 공력 효율이 가장 높게 나타났다. 유연 날개에 작용하는 알짜 힘 벡터는 강체 날개에 작용하는 것과 비교하여 거의 수직 방향으로 기울어짐이 관측되었다. 날갯짓 스트로크 중간의 와도 분포는 날개 뒷전 와류(Trailing-Edge Vortices, TEVs)의 근접성 측면에서 강체 및 유연 날개 주위의 와류 구조에 있어 약간의 차이가 나타난다. 유연 날개의 선형적 비틀림 특성으로 인해 날개 바깥쪽 부분의 뒷전 와류가 날개 표면에 더 가깝게 나타남을 확인했다. 또한, 유연 날개의 날개 비틀림은 앞전 와류(Leading-Edge Vortices, LEVs)를 날개 스팬 방향으로 안정화했으며, 이는 가로세로비(Aspect Ratio, AR)에 관계없이 유연 날개의 바깥 부분에서 와류 양력이 유지되도록 했다. 본 연구의 결과는 자연계 비행 동물의 날개 비틀림이 바깥쪽 날개 단면에서 충분한 양력을 생성하고 유지하도록 도와줌을 보여준다. 따라서, 날개의 스팬 방향 변형은 날개의 가로세로비가 높은 경우에도 날개 길이에 걸쳐 앞전 와류의 안정성을 유지하는데 필수적인 특징으로 볼 수 있다.
