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A Two-dimensional Numerical Study of Hummingbird's Flight Mechanisms and Flow Characteristics

벌새의 비행메커니즘과 유동특성에 대한 2차원 수치해석 연구

  • 이현도 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) ;
  • 김진호 (서울대학교 기계항공공학부 대학원) ;
  • 김종암 (서울대학교 기계항공공학부)
  • Published : 2009.08.01

Abstract

In order to understand flow characteristics and flight mechanism of hummingbird's flapping flight, two-dimensional numerical analysis is carried out on the flapping motion of hummingbird, Selasphorus rufus. Hummingbird's flapping wing motion is realistically modeled from wind tunnel experimental data to perform numerical analysis. Numerical simulation shows that, as freestream velocity changes, wing trajectory is also adjusted and it substantially affects lift and thrust generation mechanism. According to this tendency, flight domain is separated as "low speed" and "high speed" regime, and each flight domain is studied for physical understanding. As a result, the lift generation during downstroke can be explained by the well-known effects, such as leading edge vortex effect, delayed stall, wake capture and so on. In addition, the lift generation during upstroke, the unique character of hummingbird, is also examined by detailed flow analysis. The thrust generation mechanism is investigated by examining the hummingbird's wing bone structure, vortex generation pattern and the resulting pressure gradient.

벌새(Selasphorus rufus)의 날갯짓 운동에 의한 양력발생 및 추력발생 메커니즘을 이해하고자 2차원 수치해석을 수행하였다. 날갯짓 운동의 궤적은 풍동 실험에서 관찰된 결과를 모델링하여 해석하였다. 비행속도에 따라 날갯짓 운동 궤적이 달라지고, 그 결과 양력 및 추력의 발생 메커니즘이 변화하는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서는 이를 통하여 비행속도를 저속비행과 고속비행으로 구분하여 물리적인 이해를 하고자 하였다. 양력발생의 경우에는 기존의 날갯짓 비행의 주된 양력발생 메커니즘인 앞전와류효과(Leading Edge Vortex Effect), 실속지연(Delayed Stall), 후류포착(Wake capture)등의 메커니즘을 확인하였으며, 벌새에서 유일하게 관찰되는 Upstroke에서의 양력발생 메커니즘을 유동특성 분석을 통하여 확인하였다. 추력발생의 경우에는 벌새의 골격 구조, 와류형성 및 압력구배에 따른 합력 성분의 분해를 통하여 이해할 수 있었다.

Keywords

References

  1. Vanhorn, M. (2004). Hummingbirds—FloatLike a Butterfly, Pollinate Like a Bee.Apologetics Press on the World Wide Web.
  2. Greenewalt, C. H. (1960). Hummingbirds.New York: Doubleday.
  3. Peng Chai and David Millard. (1997).“Flight and Size Constraints : HoveringPerformance of Large Hummingbirds underMaximal Loading”, J. Exp. Biol. 200, 2757-2763.
  4. Yoon-Joo Kim, Hang-Cheol Choi andKwang-Ho Kim. (2005). "A Study on RotationalEffect on Flapping Wing Motion", AIAAAtmospheric Flight Mechanics conference and Exhibit.
  5. Warrick, D. R., Tobalske, B. W. and Powers, D. P. (2005). "Aerodynamics of the hovering hummingbird", Nature, 435, 1095-1097. https://doi.org/10.1038/nature03647
  6. Tobalske, B. W., Warrick, D. R., Clark, C.J., Powers, D. R., Hedrick, T. L., Hyder, G. A.and Biewener, A. A. (2007). "Three-dimensionalkinematics of hummingbird flight", J. Exp. Biol.210, 2368. https://doi.org/10.1242/jeb.005686
  7. 이현도, (2009) "날갯짓 비행체의 자유비행에 대한 2차원 수치해석 연구", 학위논문(학사),서울대학교 공과대학 기계항공공학부.
  8. Ronald Ennos. (1990). "UnconventionalAerodynamics", Nature, 344, 491. https://doi.org/10.1038/344491a0
  9. 이정상, 김종암, 노오현, (2004) “저 레이놀즈수 유동에서 Flapping Airfoil의 수치적 공력특성연구”, 한국항공우주학회지, Vol. 30(4), pp. 32-35. https://doi.org/10.5139/JKSAS.2002.30.4.044
  10. J.S. Lee, J.H. Kim and C. Kim, (2008)."Numerical Study on the Unsteady-Force-Generation Mechanism of Insect FlappingMotion", AIAA Journal, 46, 1835-1848. https://doi.org/10.2514/1.35646
  11. K.A. Hoffman, S.T. Chiang. (1993).Computational Fluid Dynamics for Engineers.Wichita, Kansas.
  12. Jin-ho Kim, Chongam Kim and KumWon Cho, "Numerical Investigation on theGeometric Factors of Insect's Wing Motionusing e-Science Environment", Journal of theKorean Physical Society, Accepted.
  13. 이정상, 김진호, 김종암, (2007) "갑작스런추력발생의 공기역학적 원인 (Part 2) – 공기역학적 주요변수에 대한 연구", 한국항공우주학회지, Vol. 35(1), pp. 10-17.
  14. Michael H. Dickinson, Fritz-OlafLehmann and Sanjay P. Sane, (1999). "WingRotation and the Aerodynamic Basis of InsectFlight", Science, 284, 1954-1960. https://doi.org/10.1126/science.284.5422.1954
  15. Richard Vines, (2005). Ultra-Fast CameraCaptures How Hummingbirds Hover. NationalScience Foundation (NSF) News. http://www.nsf.gov/news/new_summ.jsp?cntn_id=104263
  16. 이정상, 김진호, 김종암, (2007) "곤충비행 에서 갑작스런 추력발생의 공기역학적 원인 (Part 1) – 와류정지 및 와류 짝 현상", 한국항 공우주학회지, Vol. 35(1), pp. 1-9.