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압력저항과 와류 발생기.

xwing 2006.04.30 01:44:04
조회 2498 추천 0 댓글 9




먼저 항공기, 혹은 비행하는 물체에는 여러가지 항력이 작용하는데 그중 대표적인 것으로 마찰저항과 압력 저항을 들 수 있습니다. 마찰 저항은 이름에서 알 수 있듯, 공기와 물체간의 마찰로 인해 발생하는 저항입니다. 반면 압력저항은 압력차로 인해 발생하는 저항인데, 이를 테면 날아가는 물체의 뒤쪽이 앞쪽 보다 압력이 더 낮을 경우 발생합니다. 압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 가려는 힘을 발생시키는데, 물체의 뒤쪽의 압 력이 낮아진다면 물체의 앞에서 뒤로 향하는 힘, 즉 압력에 의한 저항이 생기게 됩니다. 대표적으로 잘 발생하는 것이 바로 공 모양의 물체입니다. 공모양의 물체에서는 다른 분들이 잘 설명해 주신 것 처럼, 공기가 공의 표면을 타고 흐르다가 공기의 뒷 부분에서 흐름이 떨어져나가게 됩니다. 이를 흐름의 박리(Speration)라 하고, 이로 공기가 떨어져 나간 부분은 상대적으로 압력이 낮아집니다. 그로 인해 공모양의 물체는 압력저항을 크게 받게 됩니다. 반면 유선형의 매끄러운 물체는 갑자기 흐름의 방향이 바뀌는 부분이 없게 매끄럽게 지나가므로 이러한 압력저항이 덜 발생합니다. 사실 이 압력저항도 마찰 자체와 무관하다고 볼 수는 없습니다. 물체 주변을 흐르던 공기는 물체와의 마찰 에 의해 그 자체가 가지고 있던 에너지를 잃게 되고, 그런 상태에서 물체표면의 모양이 지속적으로, 혹은 급격히 변하게 되면 더 이상 물체 주변을 따라 흐르지 못하고 제멋대로 흐르게 되지요. 이것이 박리가 발 생하는 원인입니다. 공기의 흐름 중 균일하게 흐르는 흐름을 층류, 어지러이 흐르는 흐름을 난류라 부르는데 흔히 담배의 연기 에서 이를 비유하지요. 담배를 재털이 위에 올려 놓으면 연기의 흐름이 처음엔 균일하게 위로 솟아 오르 다가 어느정도 올라간뒤엔 어지러이 흐트러집니다. 균일하게 흐르는 부분이 층류 흐름, 어지러이 흐트러 지는 부분이 난류 흐름이지요. "마찰저항" 자체는 물체 주변의 흐름이 층류일때가 훨씬 작습니다. 그러나 층류는 난류 보다 더 쉽게 박리 현 상이 일어나기 때문에 잘못하면 압력저항을 먼저 유발 시킬 수 있습니다. 그래서 공주변에 홈을 파서 인위 적으로 난류를 발생시키면,  마찰저항은 좀 더 증가하겠지만 대신 더 큰 항력을 차지하던 "압력저항"을 줄여 서, 결국 전체적인 저항 자체는 줄 일 수 있게 됩니다. 특히 이러한 층류는 골프공 처럼 작은 물체, (다른 분이 밑에 설명해주신 것 처럼 "레이놀즈수가 작은 물체") 주변에 잘 발생하지요. 들은 이야기로는, 골프가 생긴 초창기에 골퍼들은 경험적으로 매끄러운 공 보다 오래써서 흠집이 난 공이 더 멀리 간다는 것을 알았었다고 합니다. 그리고 연구 결과 흠집난 공은 난류로 흐름이 바뀌어 압력저항이 더 작 아진다는 것을 알게되었고, 그래서 정식으로 홈을 판 골프공을 채택하게 되었다는군요. (표면을 울퉁불퉁하 게 만들지 않은 이유는, 그렇게 될 경우 요철이 쉽게 닳아 버릴 수도 있고 더불어 굴러 갈때 요철에 걸려서 불규칙하게 굴러가기 때문이 아닐까 생각합니다.) 그렇다면 항공기에는 이러한 흠집을 낼 필요가 있는가? 이는 역시 다른 분이 설명해주신 대로, 오히려 저항 늘 늘리는 효과를 가져옵니다. 항공기는 공과 달리 비교적 유선형의 매끄러운 형상이다보니 흐름의 박리에 의한 압력저항이 차지하는 비율이 높지 않으니 굳이 마찰저항이 증가되는 요철을 만들 필요는 없었던 셈이 지요. 날개단면 형상 역시 가급적 층류흐름을 유지하는 "층류익"이란 것을 사용합니다. P-51이 이 날개모양을 써 서 유명하고, 그뒤로도 여러 항공기들이 이 층류익을 사용하고 있습니다. 이 날개 모양의 특성은 받음각이 작을 때는 항력계수가 다른 날개 모양보다 더 작다가, 받음각이 일정 수준 이상이 되면 항력계수가 다른 날 개 모양 수준이 됩니다. 보통 순항 비행시에는 낮은 받음각으로 비행하므로, 항력을 줄일 수 있단 소리지요. 하지만 항공기라고 반드시 박리가 발생하지 않는 것은 아닙니다. 이착륙시, 받음각이 높아지고 플랩까지 펼 친 경우에는 날개 윗 부분의 흐름이 급격히 변하게 되고, 설사 층류가 아닌 난류 흐름이라고 하더라도 결국 박리가 발생하게 됩니다. (혹 오해하실까봐 첨언을 하자면, 난류가 층류보다 박리 발생이 지연되는 것이지 아주 안 생기는 건 아닙니다.) 이런 박리가 발생하게 되면 압력저항이 발생할 뿐만 아니라, 날개 위에서 균일한 흐름이 생기지 않아 양력 발생률도 떨어집니다. 만약 날개 전체에서 박리가 발생하게 되면, 더 이상 양력이 발생하지 않는데 이를 실속(Stall)이라고 하지요. 이를 지연시키는 방법은 여러가지가 있지만, 궁극적으로는 전부 날개 위를 흐르는 공기에 "에너지"를 공급 하는 것입니다. 앞서 설명드릴 때 박리가 발생하는 원인은 공기가 물체 표면을 타고 넘어가다가 힘을 잃고 원래의 흐름을 유지 하지 못하기 때문이라고 말씀드렸습니다. 그렇다면 이 공기에게 힘을 공급해 준다면 이 문제는 해결 되겠지요. 그 방법 중 하나로 등장한 것이 와류발생기(Vortex Generator)입니다. 이는 주로 항공기 날개 앞전에 작은 판떼기를 촘촘히 부착하는 것인데, 이를 통해 항공기 날개위의 흐름에 작은 와류(소용돌이)를 발생시킵니다. 이 와류들은 그 자체가 더 큰 운동에너지를 가지고 있다는 의미이므로 박리가 지연되고, 더 오랫동안 비교적 균일한 흐름을 유지할 수 있다는 소리지요. (짤방 첫번째것) 마찬가지로 자동차에도 사용되는데, 자동차의 윗부분에서 뒷유리로 넘어가는 부부에서의 급격한 흐름 변화 로 인해 발생하는 박리를 어느정도 지연시켜 준다고 하는군요. 다시 항공기로 넘어와서, 와류 발생기보다 좀 더 복잡한 방식으로 사용되는 것으로 Slot이란 것이 있습니다. 말 그대로 날개 앞전에 "틈"을 만들어 두어서, 이 틈사이로 날개 아랫면을 지나던 공기 일부가 날개 윗면으로 흐르게 하여 에너지를 공급해 주는 거지요. 더 발전된 방식으로 Slat이 있는데 이는 Flap과 Slot이 합성어입니다. 플랩이 꺾이면서 꺾이는 힌지부위에 틈이 발생, 이것이 Slot의 역할을 하게 됩니다. 그래서 실속을 지연시키고 더 높은 받음각을 유지하여 더 큰 양력을 얻을 수 있게 해주거나, 전투기들이 급기동시 높은 받음각에 들어가서 실속에 빠지는 것을 지연시켜 줍니다. 대표적으로 이걸 달고 있는 기체가 2차대전 독일 전투기인 Me109나 ME110들입니다. 자동으로 일정 받음각 이상이 되면 Slat이 전개되어 실속을 지연시켜 줬지요. Slot이나 Slat은 주로 날개 앞전에 달아서 박리를 지연시켜줍니다. (...더 전문용어로 설명하면 경계층 발달 을 지연시켜준다고 할까요..?) 한편 대형여객기의 2단, 3단 플랩들은 뒤로 펼쳐지는 플랩들 사이에도 이런 틈을 만들어 넣기도 합니다. 짧게 설명하면 경계층이란 물체 주변에, 마찰저항에 의해 (혹은 점성에 의해) 원래의 공기 속도 보다 속도 가 느려진 공기흐름을 말하며 즉 에너지를 잃은 흐름이라고 할 수도 있겠지요. 또 한가지 방식으로는 직접 날개 윗면에 에너지가 많은 공기를 불어 넣어 주는 방식이 있습니다. 경계층 제어기 (Boundary L_ayer* Controler)라고 부르는데 날개 표면에서 엔진의 압축기 등에서 뽑아 낸 뜨거운 공기, 즉 에너지를 많이 가지고 있는 공기를 불어내어 주어 에너지를 공급해 줍니다. 하지만 뜨거운 공기가 지나가는 별도의 통로를 만들어줘야 하는 등, 구조가 복잡해서 현재는 거의 사용하지 않습니다. (F-4팬텀 중 F-4D까지가 이런 방식이었고, F-4E에서 위에 설명한 Slat으로 다시 변경됩니다. 해군형 중에도 후기형은 Slat을 달고 있습니다.) 한편 와류 발생기는 꼭 실속 뿐만 아니라 항공기 주변에서 어떠한 이유에서인가 박리가 발생하여, 그것 에 의한 영향으로 진동이 발생하는 수가 있는데 이를 막기 위해서 다는 경우도 있습니다. * 어째서인지 레이어는 적합한 단어가 아니라고 뜨는군요...왜일까요;?

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