결핵 효과

Tubercle effect
혹등고래 지느러미의 결핵 모형
혹등고래 지느러미의 덩이줄기.

덩이줄기 효과는 공기포일 앞 가장자리에 있는 덩어리나 큰 '덩어리'가 공기역학적으로 개선될 수 있는 현상이다.그 효과는 이미 발견되었지만 프랭크 E에 의해 광범위하게 분석되었다.2000년 초의 피쉬 외.[1][2][dubious – discuss][citation needed]덩이줄기 효과는 에어포일 위를 보다 좁은 개울로 흐르게 하여 더 높은 속도를 만들어 내는 작용을 한다.이러한 채널의 또 다른 부작용은 날개 끝 위로 이동하는 유량의 감소와 날개 끝의 포티스로 인한 기생적인 드래그 감소다.컴퓨터 모델링(computation modeling)을 사용하여, 결핵의 존재는 정지할 때까지 공격 각도의 지연을 발생시켜, 최대 양력을 증가시키고 드래그를 감소시키는 것으로 결정되었다.[1]물고기는 혹등고래의 지느러미를 보았을 때 이 효과를 처음 발견했다[2][citation needed].이 고래들은 결핵 효과를 이용한 것으로 알려진 유일한 유기체다.이러한 효과는 물속에서 훨씬 더 기동성을 높여 먹잇감을 더 쉽게 잡을 수 있게 해준다고 여겨진다.지느러미의 덩굴은 먹이를 잡기 위해 수중기동을 할 수 있게 해준다.[1]

부엉이의 날개 가장자리에 있는 작은 갈고리들은 공기역학적 기동성과 스텔스 기능에 기여하는 유사한 효과를 가지고 있다.[3][4]

효과 이면의 과학

덩이줄기 효과는 날개, 날개 또는 돛의 앞 가장자리에 큰 돌출부 또는 큰 돌출부가 공기역학 또는 유체역학 성능을 높이는 현상이다.이 주제에 대한 연구는 혹등고래의 행동에 대한 해양 생물학자들의 연구에서 영감을 받았다.큰 몸집에도 불구하고, 이 고래들은 민첩하고 물속에서 롤링과 루프를 할 수 있다.[5]혹등고래에 대한 연구는 고래 지느러미의 가장자리에 이러한 덩굴이 있는 것이 노점을 줄이고 양력을 증가시키는 동시에 사후 체계의 소음을 감소시킨다는 것을 보여주었다.[5]연구자들은 이러한 긍정적인 결과에 의해 이러한 개념을 산업용 및 풍력 터빈뿐만 아니라 항공기 날개에도 적용하게 되었다.

이 주제에 대한 초기 연구는 Watts & Fish에[5] 의해 수행되었고, 물과 풍동 모두에서 추가 실험이 뒤따랐다.왓츠앤피쉬는 에어포일 가장자리에 결핵이 존재하면 양력이 4.8% 증가한다고 판단했다.추가 수치 계산은 이 결과를 확인하였고, 결핵의 존재는 항력의 효과를 40%까지 [5]감소시킬 수 있음을 나타냈다.첨단결절은 최대 양력점을 줄이고 사후 양력부위를 높이는 것으로 밝혀졌다.[6]포스트 스탈(Stall) 체제에서는 덩이덩굴을 가진 포일이 덩이덩굴이 없는 포일에 비해 서서히 양력이 상실되는 현상을 경험했고, 이는 갑자기 양력이 상실되는 것을 경험했다.[7]돌기가 없는 날개에 비해 돌기가 없는 날개의 예를 보여준다.

결핵의 진폭과 파장은 흐름 제어에 영향을 미치기 때문에 결핵의 기하학도 고려해야 한다.덩굴은 덩굴의 위쪽 가장자리에 소용돌이를 일으키기 때문에 곡선의 꼭지를 가진 작은 델타 날개로 생각할 수 있다.이러한 변덕스러운 구조물은 덩굴의 볏 위로 흐르는 기류의 하향 편향(하향식)을 가한다.이 하향 편향 지연은 비행기에서 멈췄다.반대로 이러한 구조물의 수조에서는 기류의 순상향 편향(상향)이 있다.국소적인 상향 세척은 수조에서 유량 분리가 발생하여 그 곳에 머무르기 때문에 리프트 증가와 관련된 공격의 높은 각도와 관련이 있다.[7]덩이줄기세포가 만든 소용돌이는 날개의 후미진 가장자리를 향해 흐르는 분리를 지연시켜 항력 효과를 감소시킨다.그러나 물속에서는 볏/발톱 구조로 인해 공동화가 가능하며 바람직하지 않다.협동은 결핵 구조물의 수조처럼 유속이 빠르고 압력이 낮은 지역에서 발생한다.물속에서는 덩이줄기 상면에 기포나 주머니가 형성된다.이런 거품은 리프트를 줄이고 드래그를 증가시키는 한편 거품이 붕괴될 때 흐름의 소음을 증가시킨다.[7]그러나, 결핵은 공동화 위치를 조작하도록 변형될 수 있다.[7]

덩이줄기 진폭의 영향은 파장보다 사후 Stall 성능에 더 큰 영향을 미친다.[5]결핵의 높은 진폭은 보다 점진적인 스톨과 더 높은 포스트 스톨 리프트, 그리고 더 낮은 프리 스톨 리프트 기울기와 연관되어 있다.[5]파장과 진폭은 모두 Stall 후 성능을 높이도록 최적화될 수 있다.[5]

첨단결절의 효과에 대한 실험은 주로 경직된 신체에 초점을 맞추고 있으며, 결절 효과에 대한 지식을 산업용, 항공기용, 에너지 용도에 적용하기 위해서는 더 많은 연구가 필요하다.[5]

결핵균의 생물학적 발생

결핵은 여러 유기체에서 발생하는 물질적 현상이다.이 유기체들은 혹등고래, 망치상어, 가리비, 그리고 멸종된 수중 생물인 콘드리히테얀을 포함한다.[2]

덩굴이 눈에 띄는 유기체는 혹등고래다.[2][5][1]혹등고래의 결핵은 지느러미 가장자리에 있다.[2][5]이 덩어리들은 매우 큰 고래들이 물속에서 빡빡한 회전을 하고 효율적으로 헤엄칠 수 있게 해준다;[5] 혹등고래들이 먹이를 먹이기 위해서는 반드시 해야 할 과제다.[2]지느러미에 있는 덩이줄은 회전 기동 시 리프트를 유지하고, 스톨을 방지하며, 드래그 계수를 감소시키는 데 도움을 준다.[2]혹등고래의 결핵은 구조적이기 때문에 수동적인 유량 조절로 간주된다.[2]

혹등고래의 태아에서 결핵균이 발달한다.[1]전형적으로 9-11개의 덩이줄기들이 각 플립퍼에 존재하며 플립퍼 끝 근처에 있을 때 크기가 감소한다.[1]가장 큰 덩이줄기세포는 고래의 어깨에서 나온 첫 번째와 네 번째 덩이줄기세포다.[1]이 해부학적 구조는 큰 어종들, 주로 가슴지느러미에 포식하는 종들 사이에서 흔하다.[1]

업계 최신 애플리케이션

제조 분야에서 선두적인 엣지 결핵이 올라오고 있다.풍력 터빈 성능은 유사한 흐름 특성이 관찰되는 블레이드 공기역학에 의존한다(출처 #9). 현대식 터빈에는 특정 설계 조건에서의 공격 각도를 설명하기 위해 비틀어진 블레이드가 있다.그러나 실제 적용에서 터빈은 스톨이 발생하는 오프설계 조건에서 작동하는 경우가 많아 성능과 효율이 저하된다.[1][5]터빈 에너지 효율의 가능한 개선을 모색하기 위해서는 선행 에지결절의 영향을 보다 심층적으로 조사해야 한다.

결핵은 수륙양용기, 항공기, 환기팬, 풍차 등의 설계에서 상업적 생존성을 제공하는 생물학적 영감을 받은 디자인을 제공한다.결핵 설계를 통한 수동 흐름 제어는 복잡하고 비용이 많이 들며 유지관리가 높은 무거운 제어 메커니즘을 제거하는 동시에 공기 및 물에서 리프팅 본체의 성능 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.[1]오늘날까지 남아 있는 한 가지 쟁점은 이러한 바이오의 영향을 받은 기술들이 각각 사용하는 구조와 운영의 규모 차이다.플로우 어플리케이션의 스톨을 지연시키는 방법을 개발하기 위해 새로운 기법이 시행되고 있다.예를 들어 가장자리 결함을 가진 제트 항공기는 더 빠른 속도와 더 높은 고도에서 더 많은 페이로드(payload)를 운반할 수 있어 항공 분야에서 더 큰 경제적 효율을 얻을 수 있다.[1]이러한 영향은 많은 수생 동물과 조류에서 발견되지만, 이러한 설계를 산업 적용에까지 확장하는 것은 기계에 의한 높은 스트레스와 관련된 또 다른 문제를 야기한다.예를 들어 비행기에서 디자인은 민첩한 회전 기동을 만드는 새의 날개 관절의 복잡한 운동학 및 구조보다 훨씬 더 제한적이다.[1]이 문제는 생물학적 구조와 공학적 적용 사이의 크기와 성능의 중첩에 대해 추가 연구함으로써 해결할 수 있다.터빈 설계에서도 첨단 효과가 발전량을 최대 [1]20%까지 개선할 수 있는 능력을 가지고 있다는 것이 관찰되었다.

항공공학 분야에서는 터빈날개에 놓인 첨단결절체가 에너지 발생을 증가시킬 수 있다.[4][1]덩이줄기잎도 풍속이 좋거나 낮을 때 동력 생성에 효과가 있는 것으로 밝혀졌는데, 이는 가장자리가 매끄러운 날을 첨단 덩이줄기잎과 비교한 결과, 첨단 덩이줄기잎은 성능이 향상된 것으로 나타났다.공학적 시스템의 성능 개선에서 결핵의 효용은 생물학적 구조의 검사에서 직접 나온다.[5][1]생물학적으로 강화된 특성으로 디자인을 만드는 것은 많은 흐름 설계 애플리케이션에 대한 가능성을 제공한다는 다재다능성을 실현하는 것이 중요하다.이러한 설계가 점점 고도화됨에 따라, 이러한 방법을 통해 서로 다른 효율의 방법이 개발됨에 따라, 생체모방 기술의 적용은 고성능 기계와 장비의 다음 개발에 결정적으로 중요해지고 있다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b c d e f g h i j k l m n o Fish, F. E.; Weber, P. W.; Murray, M. M.; Howle, L. E. (2011). "The Tubercles on Humpback Whales' Flippers: Application of Bio-Inspired Technology". Integrative and Comparative Biology. 51 (1): 203–213. doi:10.1093/icb/icr016. PMID 21576119.
  2. ^ a b c d e f g h Fish, F.e.; Lauder, G.v. (2005-12-16). "Passive and active flow control by swimming fishes and mammals". Annual Review of Fluid Mechanics. 38 (1): 193–224. doi:10.1146/annurev.fluid.38.050304.092201. ISSN 0066-4189.
  3. ^ Watts, P.; First, F. E. "The Influence of Passive, Leading Edge Tubercles on Wing Performance" (PDF).
  4. ^ a b Blain, L. (March 2008). "Bumpy whale fins set to spark a revolution in aerodynamics". NewAtlas.com.
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m Ng, BF; New, TH; Palacios, R (2016-04-12). "Effects of leading-edge tubercles on wing flutter speeds". Bioinspiration & Biomimetics. 11 (3): 036003. doi:10.1088/1748-3190/11/3/036003. hdl:10044/1/30940. ISSN 1748-3190. PMID 27070824.
  6. ^ Zhao, Ming (2017). "Numerical Simulation of Flow Characteristics behind the Aerodynamic Performances on an Airfoil with Leading Edge Protuberances". Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 11: 193–209. doi:10.1080/19942060.2016.1277165.
  7. ^ a b c d Weber, Paul (2011). "Lift, Drag, and Cavitation Onset On Rudders With Leading-edge Tubercles". Marine Technology and Sname News. 47: 27–36.

외부 링크