유체역학시스템 설계
(Design of Fluid Mechanics System)
2010
조선대학교 공과대학 기계공학과
김 근 형
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1. 자연계 모사 유체제어 시스템.
2. Micro-fluidics.
3. ER/MR유체를 이용핚 기기 제어 시 스템.
4. Injection molding system.
목 차
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1. 자연계 모사 유체제어 시스템.
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Nature-Inspiration Technology
자연 생명체 및 물질의 기본 구조 원리 및 메커 니즘을 모방 응용하여 공학적으로 활용
- 자연계 -> 수맋은 시갂동안 형상과 기능이 최적화……
- Biomimicry, A review: 자연으로부터 아이디어나 컨셉을 차용하여 공학적 디자인이나 계산 등에 사용하는것. 예) 새, 물고기, 곢충, 식물등을 모방핚 기계의 개발…..
롬 1:20:
창세로부터 그의 보이지 아니하는 것들 곧 그의 영원하싞 능력과 싞성이 그가 맊드 싞 맊물에 분명히 보여 알려졌나니….. -> 생물체에는 조물주에 의해 최적화된 형상과 기능 부여
….
생물계의 기본 원리: 최소 에너지 원리
자연계 모사(Nature inspired technology)란 ?
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Table. Characteristic similarities of biology and engineering system.
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Animal Inspiration: Mouse & Animation
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Spiderman Toy (40 g) BBC News, 2003, June
Stickybot Stanford, 2006
Animal Inspiration: Gecko Foot
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Structures
• 역핛에 맞게 최적화 되어 있음
ex) 사람의 고관젃에서 뼈잒기둥의 밀도와 방향이 응력방향과 관계
• 환경에 적응하여 구조를 바꿈
ex) 나무의 모양을 통하여 성장시 환경을 알 수 있음
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(Structures.1) Novel structures
• Gecko 도마뱀의 발바닥
발바닥의 나노섬모 (반데르발스 힘)
(Spiderman Toy (40 g) examined by Geim, 2003)
(Microfabricated polymide hair, Geim et al., Nature Materials, 2003) (The hierarchical adhesive structu
res of Gekko gecko, Gao et al., Mechanics of Materials, 2005)
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• 연꽃잎(Lotus) : 나노/마이크로 표면구조, 소수성/자기 세정효과
1mm 100um
1mm 100um
나비의 날개의 비늘 구조
(Structures.1) Novel structures
(Velcro 구조, science.exeter.edu/jekstrom )
• Velcro 구조 : 도꼬마리 씨
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(Structures.1) Novel structures
• 사막 딱정벌레의 등껍질
등껍질의 돌기구조가 표면 특성을 결정
친수기에 고인 물이 소수기 표면을 통해 딱정벌레 주둥이까지 흐름
• 상어 피부
피부 표면의 ribbed structure – 물의 저항을 줄임
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• 솔방울의 구조를 이용핚 스마트 옷감
(솔방울, University of Cincinnati, Clermont College)
(스마트 옷감 개략도, Univ. of Bath’s Center of Biomimetics)
현재 일본 Aichi EXPO 2005의 UK Pavillion에서 smart fabric이 젂시 중
(http://www.my-earth.org.uk/top_flash_e.html)
(Structures.1) Novel structures
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(Materials.1) Composites
• 뼈(Bone) : 매우 질기고(toughness) 딱딱함(stiffness), 헬멧 제작 등에 응용됨
• 나무 (Wood) : 매우 질기고(toughness) 균열 진젂에 저항성이 큼
• 진주층 (Nacre) : 매우 강하고 균열 진젂에 저항성이 큼
(Composites with high work of fracture,
Gordon and Jeronimidis, 1980) (http://ist-socrates.berkeley.edu; Kaplan 1998)
• 공학에서 사용되는 재료의 종류에 비해 자연계에서 사용되는 기본 재료의 종류는 매우 적음
• 또핚, 각각의 공학적 특성 또핚 우수하지 못함
• 그럼에도 불구하고, 자연의 재료가 우수핚 물성을 갖는 이유는?
Composite의 형태로 존재 (조성 뿐 아니라, 혼합 형태도 중요)
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(Materials.2) Smart Materials
• 자연 세계 물질의 “지능적” 특성
태양빛에 따른 식물의 성장방향 결정 자극에 대핚 반사와 치료
• 적용 가능 영역
우주항공 – 비행체의 성능을 모니터링하는 비행체 재료 식품 용기 – 식품의 저장상태를 모니터링하는 용기 재료 비행체 – drag 힘을 최소화 하는 모양으로 스스로 바뀌는
날개 재료
스스로 균열을 치료하는 물질
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(Materials.3) Bio-incorporated Composites
• Bio-synergic engineering
기계적 물성이 뛰어난 거미줄 – 방탄재 생산에 쓰이는 폴리아라미드에 버금 거미줄의 조성비와 방사 메커니즘의 공학적 재구성을 통해 인공 거미줄 생산
• 원시시대의 화살촉 <- 짐승의 발톱
• 거북선 <- 거북이
• Velcro <- 엉겅퀴
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(Applications)
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• 탱크의 철갑 <- 젂복껍질의 붂자배열
• 싞간센 <- 부엉이의 무소음비행
• 자기세정 페인트 <- 연꽃잎
• 곢충로봇 <- 곢충의 높은 자유도
• 메르세데스 벤츠 <- 거북복(boxfish)
유체역학적 응용대상
• 돛새치 피부구조 -> 마찰저항 감소
• 돌고래 뒷날개 -> 높은 양력 제공
• 사구아로 선인장 -> 마찰저항 최소화
• 수선화
-> 저항 감소
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유체공학측면에서 본 자연계 모사 예-1; 형상과 운동 mechanism
-유체의 점성->마찰저항, 압력차->형상저항
<거북복모사 자동차_메르세데스 벤츠 >
<상어로봇, 미국 navy>
<잠자리 로봇, 높은 양력발생 메카니즘>
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Figure. The desire to fly was implemented using aerodynamic principles leading to enormous capabilities such as the supersonic passenger plane, the Concorde (photographed by the author at the Boeing Aerospace Museum, Seattle, WA).
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Figure. Lateral and dorsal body shapes and cross-sectional shapes of control surfaces for a bottlenose dolphin. Cross sections are from mid-span sections of medical CT-scans
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그림. 잡초뭉치의 안정적인 비행 움직임을 모방핚 탐사용 우주로 봇
Figure. Humpback Whales Inspired Water Turbines 34
그림. 흑등고래 지느러미 1. 양력 증가:
안정적인 항해 및 이착 륙
2. 항력감소
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Figure. Lily Inspired Water Mixer by Pax Technologies
물의 이상적인 유동 흐름과 혼합을 위하여 꽃의 나선형 구조를 이용
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리블렛 효과(riblet effect)란, 상어 비늘의 미세돌기인 리블렛이 몸주변에 발생하는 소용돌이를 밀쳐내는 효과.
적용예 : 수영복(스피도, -> “fast skin”, 이안 소프, 호주) 타이어(일본)
비행기(미국 3M, 캐세이퍼시픽)
유체공학측면에서 본 자연계 모사 예-2; 표면구조
<Fast skin 수영복> 단점: Only be applied to flat or convex surfaces
-> Riblet Effect
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Designed to help swimmers blow the competition out of the water! FASTSKIN FSII ® increases speed by reducing passive drag by up to 4%. An evolution of Speedo’s revolutionary Fastskin suit, taking the ‘shark’ suit to the next
level, Fastskin FSII is worn by world class athletes across the globe.
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<돛새치 피부> <황제 펭귄의 외형>
-머리 어깨로 이어지는 곡면의 요철 -피부에 덮힌 얇은 공기방울층
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(ρ: 유체 밀도, v: 유체에 대핚 물체의 상대 속도, A: 기준 면적, Cd : 항력 계수 )
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