KR20160007935A - 패러글라이더 슬롯의 최적화 설계방법 및 이에 의해 제조된 패러글라이더 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 격벽으로 구분되는 복수 개의 격실을 포함하고, 익단 와류를 방지하기 위한 슬롯이 익단부에 형성된 패러글라이더에 있어서, 상기 슬롯의 최적화 형상을 구하는 패러글라이더 최적화 설계방법으로서, 상기 슬롯은, 익단(wingtip) 부근에 위치한 격실에 제공되고, 상기 격실의 저면에 위치한 제1 관로 공기유입부로부터 공기를 유입하여 상기 격실의 상면에 위치한 제1 관로 공기분출부로 고압의 공기를 배출하도록 형성된 제1 관로와, 상기 격실에 상기 제1 관로의 후방에 위치하고, 상기 격실의 저면에 위치한 제2 관로 공기유입부로부터 공기를 유입하여 상기 격실의 상면에 위치한 제2 관로 공기분출부로 고압의 공기를 배출하도록 형성된 제2 관로로 이루어지고, 상기 제1 관로 및 제2 관로는, 공기유입부에서 공기분출부로 갈수록 단면적이 줄어드는 곡선형 형상이고, d1, d2, s1, s2의 값을 변화시키면서 아래 수식을 이용하여 벽면전단력을 구하는 단계를 포함하는 패러글라이더 슬롯의 최적화 설계방법을 제공한다.

Description

패러글라이더 슬롯의 최적화 설계방법 및 이에 의해 제조된 패러글라이더{METHOD FOR OPTIMIZING SLOT IN PARAGLIDER AND PARAGLIDER MANUFACTURED USING THE SAME}

본 발명은 패러글라이더에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패러글라이더의 익단 와류(Wingtip Vortex)를 극소화하기 위한 익단 와류를 저감시킨 패러글라이더에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 패러글라이더는 바람을 이용하여 양력을 발생시킴으로써 공중을 활공할 수 있는 활공수단의 하나로서, 답답한 현대 사회를 살아가고 있는 수많은 사람들의 여가 활동을 위한 레져 스포츠용으로 주로 사용되고 있다.

상기 패러글라이더는 행글라이더의 활공 특성과 낙하산의 강하 특성의 중간적인 특성을 지님에 따라, 높은 활공 능력을 보유함과 동시에 높은 안전성 또한 겸비하여 그 보급이 널리 확산되고 있는 실정이다.

항공역학에서 익단 와류(wingtip vortex)란 항공기 날개의 끝 부분에서 날개의 표면을 흐르던 유체가 날개의 끝부분으로부터 콘 또는 방사형 모양으로 소용돌이치듯이 이탈되는 현상을 말한다. 즉, 날개 상부표면의 날개 뿌리쪽으로의 흐름과 날개 하부표면의 날개 끝쪽으로의 흐름은 날개 끝 익단 부근에서 결합되는데, 이 결합이 공기를 회전운동시키는 흐름을 만들어 낸다. 이러한 공기의 회전운동이 익단 와류이다.

이러한 익단 와류는 일종의 저항형태의 작용을 하며, 항공기의 직진성을 감소시키고 때에 따라 익단 실속을 일으키는 요소로 작용한다.

도 1은 종래의 일반적인 패러글라이더(100)의 사시도를 나타낸다. 상기의 익단 와류는 패러글라이더(100)의 익단 부분(120)의 뒤에서 발생하게 된다. 패러글라이더와 같이 유연한(flexible) 비행체의 경우, 공기압과 많은 산줄의 장력에 의해 익형이 유지되는 날개 특성으로 인해 익단 와류는 패러글라이더의 직전 성능을 약화시키거나, 와류권(turbulence area)에서 익단 실속(wingtip stall)에 의한 패러글라이더 날개의 익단 붕괴(wingtip collapse)와 같은 비행 안정성 저하 및 급격한 선회(rapid turn)을 일으키는 주원인이 된다.

일반적으로 이러한 익단 와류를 해결하기 위해서 전체 기체(날개)의 형상이 타원형이 되도록 설계를 하고 있으며, 양 끝단에 천을 사용한 스테빌라이져를 이용하여 패러글라이더의 직진 안정성을 도모하고 있으나, 패러글라이더 날개의 지나친 유연성 및 유입 공기를 천과 천 사이의 격실에 채워 익형을 형성하는 특성상 익단 붕괴를 완전히 해결하지는 못하는 현실이다.

따라서 이러한 익단 와류에 의한 날개의 익단 붕괴를 방지하기 위해서, 한국등록특허 제0412239호에서는 공기흡입구의 개구 형상 및 규격을 유지하여 공기실에 연속적인 상태로 공기를 유입시키는 기술을 소개하고 있고, 한국공개특허 제2007-0063484호 및 한국공개특허 제2003-0097760호에서는 날개 접힙을 방지하기 위해 날개가 접히지 않게 뼈대가 들어있는 패러글라이더 또는 탄력적인 골조기능을 수행할 수 있도록 공기주입식 튜브를 도입하는 기술이 소개되어 있다.

일본등록특허 제3082289호, 제2082047호 및 제3081559호에서는 패러글라이더의 기체(캐노피) 내부의 공기압을 유지하기 위한 장치로서, 패러글라이더의 공기 도입구를 상황에 따라 자동으로 개폐시키는 기술을 개시하여 패러글라이더의 날개가 접히는 현상을 방지하는 기술이 소개되어 있다.

또한, 일본공개특허 제1994-053399호에서는 날개의 익단에 파이프형의 관로를 캐노피의 격실을 구분하는 격벽에 제공하여 고압의 공기를 분출하여 와류를 상쇄하는 기술이 개시되어 있다.

하지만, 일본공개특허 제1994-053399호에서 개시된 구성은 파이프형의 관로를 격실에 제공하는 것으로서, 벤츄리 효과를 이용하고 있으나, 공기의 관로가 직선형 및 파이프형으로 되어 있어, 공기의 관로 내의 체류시간이 매우 짧으며, 공기의 관로를 통과하는 공기가 이웃하는 격실에 어떠한 영향을 주지 못하여 그 효율이 떨어지는 한계가 있다.

또한, 직선형으로 제공되는 구조의 한계로서, 관로 내의 공기 유입구가 패러글라이더 기체의 전면부에 가깝게 위치하여야 한다는 문제가 있다. 즉, 공기 유입구가 전면이 아니라 기체의 하부쪽으로 향하게 되는 경우 공기의 유입이 힘들고, 오히려 관로 내의 기압이 외부보다 낮게 되어 기체의 안정성에 심각한 문제를 야기할 수도 있다.

본 발명은 상기와 같은 기존 패러글라이더가 익단 와류에 대해 갖는 취약한 특성을 해결하기 위한 것으로서, 패러글라이더의 익단 붕괴 및 비행안정성을 떨어뜨리는 주요 원인인 익단 와류를 효율적으로 저감시키기 위함이다.

이는 벤츄리 효과와 같이, 패러글라이더 날개의 내부 공기압에 일정한 흐름을 형성하여 패러글라이더 내부공기압의 불안정성을 해소하고, 패러글라이더의 양쪽 날개 부분에서 발생하는 익단 와류를 패러글라이더의 내부압에 의해 응축된 공기를 일정 속도로 분출하여 익단 와류의 증폭을 제어 또는 축소시켜 익단 와류의 영향을 최소화하기 위함이다.

다만, 이러한 공기를 일정 속도로 분출하는 관로를 직선이 아닌 곡선의 형상으로 제공하고, 특히 그 단면을 슬롯형의 폭이 넓은 단면을 가지도록 하여 공기의 유입 및 분출의 효율을 향상시키기 위함이다.

또한, 상기 슬롯의 최적화된 형상을 고안하여 패러글라이더 기체의 벽면에 작용하는 벽면전단력을 낮추는 조건이 무엇인지 살펴보기 위함이다.

본 발명은, 격벽으로 구분되는 복수 개의 격실을 포함하고, 익단 와류를 방지하기 위한 슬롯이 익단부에 형성된 패러글라이더에 있어서, 상기 슬롯의 최적화 형상을 구하는 패러글라이더 최적화 설계방법으로서,

상기 슬롯은, 익단(wingtip) 부근에 위치한 격실에 제공되고, 상기 격실의 저면에 위치한 제1 관로 공기유입부로부터 공기를 유입하여 상기 격실의 상면에 위치한 제1 관로 공기분출부로 고압의 공기를 배출하도록 형성된 제1 관로와, 상기 격실에 상기 제1 관로의 후방에 위치하고, 상기 격실의 저면에 위치한 제2 관로 공기유입부로부터 공기를 유입하여 상기 격실의 상면에 위치한 제2 관로 공기분출부로 고압의 공기를 배출하도록 형성된 제2 관로로 이루어지고, 상기 제1 관로 및 제2 관로는, 공기유입부에서 공기분출부로 갈수록 단면적이 줄어드는 곡선형 형상이고,

d1, d2, s1, s2의 값을 변화시키면서 아래 수식을 이용하여 벽면전단력을 구하는 단계를 포함하는 패러글라이더 슬롯의 최적화 설계방법을 제공한다.

여기서,

는 공기와 접하는 페러글라이더 아랫면, 윗면 그리고 슬롯면에 발생하는 벽면전단력이고,

는 패러글라이더 아랫면, 윗면, 슬롯면 전체에서의 벽면전단력의 평균값이고,

d1: 패러글라더 선단부에서 제1 관로의 공기유입구 중심지점까지 거리이고,

d2: 제1 관로 공기유입구 중심지점에서 제2 관로 공기유입구 중심지점까지 거리이고,

s1: 제1 관로 공기분출부의 폭이고,

s2: 제1 관로 공기유입부의 폭이고,

상기 분석변수에서 d1+d2는 일정하다.

또한, 본 발명은 상기 설계방법에 의해 설계되고, s1은 39mm, s2는 61mm d1은 76mm인 값을 갖는 최적화 슬롯이 형성된 패러글라이더를 제공한다.

본 발명은 상기와 같은 기존 패러글라이더가 익단 와류에 대해 갖는 취약한 특성을 해결하기 위한 것으로서, 패러글라이더의 익단 붕괴 및 비행안정성을 떨어뜨리는 주요 원인인 익단 와류를 효율적으로 저감시키는 효과가 있다.

이는 벤츄리 효과와 같이, 패러글라이더 날개의 내부 공기압에 일정한 흐름을 형성하여 패러글라이더 내부공기압의 불안정성을 해소하고, 패러글라이더의 양쪽 날개 부분에서 발생하는 익단 와류를 패러글라이더의 내부압에 의해 응축된 공기를 일정 속도로 분출하여 익단 와류의 증폭을 제어 또는 축소시켜 익단 와류의 영향을 최소화하는 효과가 있다.

다만, 이러한 공기를 일정 속도로 분출하는 관로를 직선이 아닌 곡선의 형상으로 제공하고, 특히 그 단면을 슬롯형의 폭이 넓은 단면을 가지도록 하여 공기의 유입 및 분출의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 관로를 중심으로 기실을 두개의 공간으로 나누고, 관로내의 고압의 기체가 기실의 공간에 압력을 가하여 날개 접힘을 추가적으로 막는 효과가 있다.

또한, 패러글라이더 기체의 벽면에 작용하는 벽면전단력을 낮추는 상기 슬롯의 최적화된 형상을 도출하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 패러글라이더의 기체(캐노피)의 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 패러글라이더의 기체의 사시도.
도 3은 본 발명에 의한 패러글라이더의 익단의 절개 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 패러글라이더의 익단의 절개 단면도.
도 5는 본 발명에 의한 패러글라이더의 익단의 구조 사시도.
도 6을 보면, 패러글라이더의 양단에 형성된 슬롯에 의해 슬롯을 통과한 공기가 상측으로 강한 흐름을 형성함으로써 양단의 와류를 약화시키는 것을 그림으로 보여주고 있다.
도 7은 해석을 위한 경계조건을
도 8은, 비교를 위해서 슬롯이 형성되지 않은 경우에 대한 압력 분포이
도 9는 슬롯이 형성되어 있을 때의 각각 압력분포와 속도분포를
분석변수 및 그 범위를 도 10에서 도시된 변수를 참고하하
도 11은 s1의 변화에 따른 벽면전단력의 변화를 나타낸
도 12는 s2의 변화에 따른 벽면전단력의 변화를 나타낸
도 13은 d1의 변화에 따른 벽면전단력의 변화를 나타
위 결과를 토대로 최적의 우선 순위 변수 값는 아래 도 14에서 도시된 표와 같다.

이하 본 발명에 의한 패러글라이더에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 사용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2는 본 발명에 의한 패러글라이더 기체(캐노피)(10)의 사시도이다. 통상의 패러글라이더는 공기 유입에 의해 팽창되어 활공 가능한 양력을 발생시키는 캐노피(10)가 마련되며, 캐노피(10)의 하부에 그 일단부가 일정한 간격으로 열과 행을 유지하여 배치된 다수의 산줄이 연결되고, 산줄의 타단부는 두 개의 묶음으로 각각 결합되어 파알럿이 착성하는 조정석 역할을 하는 하네스(도면 미도시)에 연결된다.

캐노피(10)는 상부익, 하부익 및 상부익과 하부익 사이에 개재되는 격판으로 이루어진다. 상부익과 격판의 상부가 재봉되고, 하부익과 격판의 하부가 재봉됨으로써, 상기 상부익, 하부익, 격판의 결합관계가 형성된다. 상부익과 하부익 사이에 복수 개의 격판이 일정 간격으로 배치되어 상부익과 하부익을 지지한다. 상부익과 하부익과 복수 개의 격판에 의해 복수 개의 공기실(격실)이 구획되어 캐노피(10) 내부에 형성되며, 격실의 전단부에는 공기의 유입이 가능하도록 개구된 공기흡입구가 형성되어 있다.

이러한 구조는 패러글라이더의 일반적인 구조이므로 도면에 자세하게 설명하지는 않았다.

본 발명은 이러한 격실 중 패러글라이더의 익단 부군에 위치하는 격실의 구조를 주요한 기술적 특징으로 한다. 본 발명에서 익단 부근이라 함은 가장 바깥쪽의 격실이 바람직하나, 가장 바깥쪽에서 2~3 번째 격실도 포함되는 개념으로 이해하여야 한다.

익단 부근에 위치한 격실에는 격실(20)의 저면에 위치한 제1 관로 공기유입부(33)로부터 공기를 유입하여 격실(20)의 상면에 위치한 제1 관로 공기분출부(34)로 고압의 공기를 배출하도록 형성된 제1 관로(30)가 제공된다.

이는 넓은 공간에서 좁은 공간을 통과하면 통과속도가 빨라지고, 압력이 높아진다는 벤츄리 효과(venturi effect)를 이용한 것으로서, 제1 관로는 제1 관로 공기유입부(33)로부터 제1 관로 공기분출부(34)로 갈수록 그 단면의 폭은 줄어들게 형성되어야 한다.

즉, 익단 와류에 의해 원추형으로 증폭되는 와류의 중심부에 큰 공기압에 의해 형성된 보다 빠른 공기(유체)의 흐름을 제공함으로써, 원추형 익단 와류가 중심부를 지나는 빠른 공기흐름으로 인해 상대적으로 저기압으로 변화되어 감소되는 원리를 이용하는 것이다.

따라서 본 발명은 패러글라이더의 내부에 응축된 내부공기압이 패러글라이더의 양쪽 날개 끝부분에 설치된 분출부를 통해 익단 와류의 중심부를 향해 배출하는 것이 중요하다. 따라서 이러한 제1 관로(30)는 패러글라이더의 익단에 제공되는 것이 효과가 있으며, 익단에서의 위치도 익단 와류의 중심에 따라 달라질 수 있음은 자명하다.

본 발명에서 제공되는 제1 관로(30)는 그 단면은 폭이 넓은 슬롯(slot) 형상인 것이 바람직하다. 이는 제1 관로 공기유입부(33)로부터 가급적이면 많은 양의 공기를 유입시키기 위함이다. 그 단면적이 정사각형이나 원형에 가까울수록 벤츄리 효과는 감소하기 때문에 가급적이면 슬롯형상인 것이 바람직하다.

종래와 같이 단순히 파이프형상의 관로를 사용하는 경우에는 관로 내부로 공기를 유입시키는 것 자체가 어려웠고, 따라서 공기유입부가 전면부에 위치할 수 밖에 없는 기술적 한계가 있었다.

하지만, 본 발명에서는 상기와 같은 형상으로 통해 공기유입부가 패러글라이더 기체의 저면 어느 곳에 위치하더라도 공기의 유입 효과가 감소되지 않도록 하는 효과를 제공하고 있다. 이는 제1 관로(30) 후방에 제2 관로(40)를 더 추가하는 것도 가능하게 한다.

또한, 제1 관로(30)는 곡선의 형상으로 제공되는 것이 바람직하다. 앞에서 설명한 벤츄리 효과는 관로 내의 공기의 체류 시간이 길수록 그 효과가 극대화된다. 따라서 단순히 직선형태로 되어 있는 경우보다 곡선의 형상으로 제공되는 경우에는 공기의 이동 경로를 최대로 늘릴 수 있게 되고, 이로서 분출되는 공기압을 상승시키는 효과가 있다.

패러글라이더의 진행 방향을 고려하여 제1 관로 공기분출부(34)는 제1 관로 공기유입부(33)에 비해 후방에 제공되는 것이 바람직하다.

이때, 제1 관로 공기유입부(33)는 공기의 유입량을 증대시키기 위하여 나팔관 형상과 같이, 외부로 경사지도록 벌려지게 형성되는 것이 바람직하다. 이에 비해 제1 관로 공기분출부(34)는 고압의 공기를 분출하여야 하므로, 내측으로 모아지도록 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 사용되는 관로는 익단에 대칭을 이루는 위치에 한 쌍으로 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 제1 관로(30)의 후방에 제2 관로(40)가 제공되는 것이 바람직하다. 제2 관로(40)에 대한 자세한 설명은 제1 관로(30)와 유사하므로 생략하기로 한다.

제2 관로(40)를 더욱 형성하는 이유는 익단의 안정성을 고려함이다. 즉, 제2 관로(40)를 추가함으로써, 날개의 익단에서 분출되는 고압의 공기는 4곳에서 분출되어 보다 안정적인 비행이 가능하게 된다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 의한 패러글라이더의 익단 격실의 단면 구조로서 제1 관로 및 제2 관로에 대한 자세한 구조가 개시되어 있다.

본 발명의 또 한가지의 특징은 제1 관로(30)에 의해서 격실(20)이 두 개의 공간(21, 22)으로 분리되는 것이다. 이는 제2 관로에 의해서 격실(20)이 두 개의 공간(22, 23)으로 분리되는 것과 동일하다.

제1 관로(30) 및 제2 관로(40)을 통해서 공기가 흐르게 되고, 이 과정에서 각각의 분리된 공간(21, 22, 23)과 압력을 주고 받게 되면서 관로의 형상을 유지하는 능력을 향상시키게 된다. 또한, 날개 익단의 형상을 안정적으로 유지하는 기능을 수행하기도 한다.

이하, 제1 관로(30) 및 제2 관로(40)를 격실(20)에 형성하는 과정에 대해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 의한 패러글라이더의 익단의 구조 사시도이다. 도시된 바와 같이 격실(20)은 상부와 하부를 양 측에서 연결하는 한쌍의 격벽(25)으로 이루어진다.

제1 관로(30)는 제1 관로 상부형성판(31)과 제1 관로 하부형성판(32)의 사이의 공간으로 형성되어 진다. 제1 관로 상부형성판(31) 및 제1 관로 하부형성판(32)은 패러글라이더 기체를 형성하는 천과 같은 재질이 바람직하다. 이러한 제1 관로 상부형성판(31)과 제1 관로 하부형성판(32)을 격실(20)의 양측에 제공되는 격벽(25)에 밖음질처리 등을 통하여 고정시킨다.

이때, 제1 관로 상부형성판(31) 및 제1 관로 하부형성판(32)이 격벽(25)과 연결되는 부위가 곧 제1 관로의 내부 형상이 된다.

제1 관로 상부형성판(31)은 격벽(25)에 S자형 또는 ∫자형으로 고정되는 것이 바람직하다. 이는 패러글라이더의 진행방향과 제1 관로(30) 내의 공기 흐름을 동기화시키기 위함이다.

또한, 제1 관로 상부형성판(31) 및 제1 관로 하부형성판(32)의 다른 면을 패러글라이더의 기체 상부익 및 하부익에 고정처리한다. 그리고, 상부익 및 하부익의 부분을 절개하여 제1 관로 공기유입부(33) 및 제1 관로 공기분출부(34)를 형성하게 된다.

최종적으로 격실(20)은 제1 관로(30)에 의해 두 개의 공간으로 분리되는 구조를 가지게 된다.

제2 관로(40)의 형성방법도 제1 관로(30)의 형성방법과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 패러글라이더에 형성된 제1 관로 및 제2 관로를 형성하되, 이들을 슬롯 형상으로 형성하고, 또한 이 슬롯 형상의 구체적 모습을 최적화시키는 방법에 대한 것이다. 이하 설명에서는 제1 관로 및 제2 관로가 슬롯 형상으로 이루어지는 것을 고려하여, 제1 관로 또는 제2 관로를 약칭하여 슬롯이라고 표현하기로 한다.

도 6을 보면, 패러글라이더의 양단에 형성된 슬롯에 의해 슬롯을 통과한 공기가 상측으로 강한 흐름을 형성함으로써 양단의 와류를 약화시키는 것을 그림으로 보여주고 있다.

이하에서는, 슬롯을 최적화시키기 위해 방법으로, 슬롯이 형성된 곳의 유체의 흐름에 대한 해석방법에 대해 설명한다.

도 7은 해석을 위한 경계조건을 보여준다. 본 해석은 슬롯이 형성되어 있는 경우의 3차원 해석을 위한 정교한 모델링 및 정확한 경계조건을 얻는 것은 현실적 어려움이 있기 때문에 2차원 해석으로 수행하였다. 따라서 폭 방향으로 형상 변화가 없다고 가정하고. 속도는 마하 1.0보다 훨씬 작기 때문에 비압축성 유동이라고 가정하였으며, 입구조건은 패러글라이더가 10m/s로 수평과 15도의 각도로 떨어진 것으로 가정하였다. 난류모델은 보편적으로 가장 사용되고 있는 K-Epsilon 모델을 적용하였다.

도 8은, 비교를 위해서 슬롯이 형성되지 않은 경우에 대한 압력 분포이다. 슬롯이 형성되어 있지 않을 때 패러글라이더 앞부분에서 압력이 급증(속도는 급강)하였다. 압력의 급증(속도의 급강)은 곧 와류에 의한 전단력 증가를 일으킨다. 전단력 증가는 곧 패러글라이더에 발생하는 공기저항을 높이게 되어 불리해진다. 그림에서 붉은 부분이 압력이 높은 지점이다.

이에 비해, 도 9는 슬롯이 형성되어 있을 때의 각각 압력분포와 속도분포를 나타낸 것이다. 수평을 기준으로 15도 입사각으로 10m/s 속도의 기류가 패러글라이더로 입사하는 것으로 가정했다. 이러한 가정은 패러글라이더가 아래 방향 15도로 떨어지는 실제 경우와 유사한 각으로 선정하였으며, 그림에서 알 수 있듯이 아래로부터 입사한 기류가 일부는 슬롯을 지나 윗면의 후미로 퍼져가는 것을 알 수 있다. 슬롯이 없다면 아랫면과 윗면의 속도 차이가 많이 발생하여 전단부와 후단부에서 더 강한 와류가 발생할 것이다. 그림을 보면, 아랫면에서 윗면을 가로지른 슬롯으로 인하여 이를 완화 시키는 효과가 발생함을 알 수 있다.

슬롯의 최적화를 위해서, 슬롯 관련한 변수 세개를 잡고, 각 변수별로 일정 비율로 증가 혹은 감소가 항력에 미치는 영향을 살펴보고자 한다. 공기역학적으로 항력이란 물체 표면에 미치는 일종의 마찰력이다. 표면에 미치는 응력은 크게 표면에 수직방향으로 미치는 압력과 물체이동의 반대방향으로 영향을 미치는 항력이 있다. 이를 벽면전단력(Wall Shear Stress)이라고 한다. 본 분석에서는 벽면전단력을 분석변수로 정하고 아래와 같은 수식을 이용하였다.

여기서,

는 공기와 접하는 아랫면, 윗면 그리고 슬롯면에 발생하는 벽면전단력이고,

는 아랫면, 윗면, 슬롯면 전체에서의 벽면전단력의 평균값이다.

이를 아랫면, 윗면 그리고 슬롯면에 대해서 적분한 후 모든 면의 합으로 나누어 주면 패러글라이더 전체 면을 대표할 수 있는 벽면전단력 값을 얻을 수 있다. 이 값이 높을수록 패러글라이더에 발생하는 공기저항이 높고, 이 값이 낮을 수록 발생하는 공기저항이 낮다. 그러므로, 이 벽면전단력을 낮추는 조건이 무엇인지 살피는 것이 중요하다.

본 실시예에서는 분석변수 및 그 범위를 도 10에서 도시된 변수를 참고하여 다음과 같이 정한다.

d1: 패러글라더 선단부에서 제1 관로의 공기유입구 중심지점까지 거리

d2: 제1 관로 공기유입구 중심지점에서 제2 관로 공기유입구 중심지점까지 거리

s1: 제1 관로 공기분출부의 폭

s2: 제1 관로 공기유입부의 폭

상기 분석변수에서 d1+d2는 일정하다고 가정하였고, d2와 d1은 서로 변위에 영향을 주므로 d1만 변수로 설정하였다. 또한 슬롯의 폭인 w는 2차원 해석이므로 분석변수에서 제외된다. 따라서 본 과제에서는 분석변수로 d1, s1, s2만 선정하였다. 분석 범위는 기본값 각각에 대하여 20% 증가/감소에 대하여 살펴보았다. 참고로 아래 기본값은 슬롯이 없는 상태의 압력분포 결과의 근거로 선정한 값이며 단위는 mm이다 (아래 표 1 참조).

위와 같은 조건으로 세 개의 변수의 영향을 살펴보면 다음과 같다.

도 11은 s1의 변화에 따른 벽면전단력의 변화를 나타낸 것이다. 그래프를 보면 s1의 변화에 따른 벽면전단력의 뚜렷한 경향은 보이지 않았다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 기준 값(43 mm)보다 약 10% 줄인 것이 벽면전단응력이 가장 적었다.

도 12는 s2의 변화에 따른 벽면전단력의 변화를 나타낸 것이다. s2가 -10%에서 10%까지는 증가하는 경향을 보이고, -20% 이하에서는 벽면전단응력이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 슬롯입구에서의 쓰로틀(throttle) 효과로 인한 것으로 사료된다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 주어진 범위(-20% ~ 20%)에서 기준 값(68 mm)보다 약 10% 줄인 것이 벽면전단응력이 가장 적었다.

도 13은 d1의 변화에 따른 벽면전단력의 변화를 나타낸 것이다. 본 계산과정에서는 d1과 d2의 합이 일정하다고 가정했기 때문에 d2는 별도로 해석하지 않았다. 그림을 보면 알 수 있듯이, 대체적으로 10%에서부터 증가하는 경향을 보이고, -20%에서는 벽면전단응력이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 앞에서 서술했듯이 이는 슬롯 입구에서의 쓰로틀(throttle) 효과로 인한 것으로 사료된다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이, 주어진 범위(20%)에서 기준 값(84 mm)보다 약 10% 줄인 것이 벽면전단응력이 가장 적었다.

본 실시예에서는 세 개의 변수를 선정하였고, 공통적으로 주어진 범위(기본값의 -20% ~ 20%)에서 기준 값보다 10% 줄이는 것이 벽면전단응력이 가장 적음을 알 수 있었다. 10% 이상으로 줄일 때는 쓰로틀(throttle) 효과(갑작스런 장애물로 인하여 와류가 발생하여 점성이 증가하는 현상)로 인하여 벽면전단응력이 증가할 것으로 사료된다.

이러한 방식에 따른 슬롯 최적화 설계방법에 의해 패러글라이더의 각 변수들을 최적화시킨 결과 수치들은 도 14에서 도시된 표와 같다.

10 : 패러글라이더 기체(캐노피), 20 : 익단의 격실, 30, 제1 관로, 40 : 제2 관로, 33 : 제1 관로 공기유입부, 34 : 제1 관로 공기분출부, 43 : 제2 관로 공기유입부, 44 : 제2 관로 공기분출부, 25 : 격벽, 31 : 제1 관로 상부형성판, 32 : 제1 관로 하부형성판, 41 : 제2 관로 상부형성판, 42 : 제2 관로 하부형성판

Claims (2)

1. 격벽으로 구분되는 복수 개의 격실을 포함하고, 익단 와류를 방지하기 위한 슬롯이 익단부에 형성된 패러글라이더에 있어서, 상기 슬롯의 최적화 형상을 구하는 패러글라이더 슬롯의 최적화 설계방법으로서,
   상기 슬롯은,
   익단(wingtip) 부근에 위치한 격실에 제공되고, 상기 격실의 저면에 위치한 제1 관로 공기유입부로부터 공기를 유입하여 상기 격실의 상면에 위치한 제1 관로 공기분출부로 고압의 공기를 배출하도록 형성된 제1 관로와,
   상기 격실에 상기 제1 관로의 후방에 위치하고, 상기 격실의 저면에 위치한 제2 관로 공기유입부로부터 공기를 유입하여 상기 격실의 상면에 위치한 제2 관로 공기분출부로 고압의 공기를 배출하도록 형성된 제2 관로로 이루어지고,
   상기 제1 관로 및 제2 관로는, 공기유입부에서 공기분출부로 갈수록 단면적이 줄어드는 곡선형 형상이고,
   d1, d2, s1, s2의 값을 변화시키면서 아래 수식을 이용하여 벽면전단력을 구하는 단계를 포함하는 패러글라이더 슬롯의 최적화 설계방법.
   

   

   
   여기서,

   

   는 공기와 접하는 페러글라이더 아랫면, 윗면 그리고 슬롯면에 발생하는 벽면전단력이고,

   

   는 패러글라이더 아랫면, 윗면, 슬롯면 전체에서의 벽면전단력의 평균값이고,
   d1: 패러글라더 선단부에서 제1 관로의 공기유입구 중심지점까지 거리이고,
   d2: 제1 관로 공기유입구 중심지점에서 제2 관로 공기유입구 중심지점까지 거리이고,
   s1: 제1 관로 공기분출부의 폭이고,
   s2: 제1 관로 공기유입부의 폭이고,
   d1+d2는 일정한 값임.
   
2. 제1항의 설계방법에 의해 설계되고,
   s1은 39mm, s2는 61mm, d1은 76mm인 값을 갖는 최적화 슬롯이 형성된 패러글라이더.

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