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유체역학 Fluid Mechanics |
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| NASA의 풍동 |
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1. 개요
風 洞[1] / wind tunnel항공기나 우주선이 특정 비행속도/고도로 비행하는 환경을 지상에서 유체역학적으로 예측하기 위해 사용하는 장치다.
보통 축소모형[2]을 풍동에 넣어두고, 바람을 일으켜서 예측한다. 비행기(혹은 그 축소모형)가 실제로 공기를 가르며 비행하거나, 반대로 비행기는 가만히 있고 [3] 비행기의 원래 비행속도 만큼 맞바람이 불어오거나 비행기에 작용하는 양력, 항력 등은 동일하다. 실제 비행기를 만들어 날리는 것은 돈도 많이 들고 위험하기도 하고 어떤 문제점이 생기면 이것을 고치기도 어렵기 때문에 지상에서 풍동에다가 축소모형을 집어 넣고 다양한 상황을 가정하고 실험하는 편이 낫다. 또한 제트엔진의 기류 자체를 풍동으로 재연하기도 한다.
저장되어있던 기체를 가속시킬 경우, 시험 기체의 총 에너지 중 일부가 운동에너지로 전환되면서 온도가 떨어진다 [4]. 이를 보정하기 위하여 시험 기체를 미리 가열하며, 가열하는 방식에 따라서도 세분이 된다.
풍동실험을 할때 중요하게 생각해야 하는것은 상사성이다. 마하수, 레이놀즈 수 등이 같고 물체의 형상이 같으면 상사성의 원리에 의해서 물체의 크기가 작던 크던 같은 항력계수가 나오게 된다. 즉 물체의 크기가 줄면 레이놀즈수가 줄어들게 되는데 이때 유체의 밀도를 높여서 결과적으로 같은 레이놀즈수가 되게 하면 같은 결과가 나온다는 뜻이다(마하수 0.3 이하는 비압축성으로 간주하여 마하수는 보통 고려하지 않는 경우가 많다.). 풍동실험은 이러한 원리를 토대로 만들어진 실험방법이다. 반대로 말하면 축소모형을 이용해서 실험할 때는 레이놀즈 수를 고려하지 않으면, 같은 조건이라도 결과가 다르게 나올 수 있다.
2. 분류
기본적으로 시험 기체를 저장하였다가 시험 구간으로 보내주는 형태를 공유하지만, 시험 기체 유속에 따라 저속, 고속, 천음속, 초음속, 극초음속 등으로 구분된다. 이는 운용되는 흡기/배기 팬의 속도가 무한정하지 않고 후술하듯 단순히 바람만 빠르게 뿜어낸다고 해결되는 일이 아니기 때문이다.아음속 풍동의 경우 주로 열선 또는 연소를 이용하여 시험 기체를 가열한다. 초음속 풍동의 경우 열선 및 연소를 이용하여 시험 기체를 가열할 경우 시험 장비가 버티질 못하기 때문에, 충격파나 전기 아크를 이용하여 주로 시험 기체를 가열한다.
일반적으로 수평풍동이 구축 및 운용되지만 수직풍동 역시 존재한다.
3. 해석법
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| 슐리렌(Schlieren) 해석 |
그 외에도 아음속 미만의 경우에는 보통 사람들이 다양한 매체에서 많이 접하듯이 앞쪽 팬에서부터 연기를 분사하여 그 연기가 모형에 부딪히며 흐르는 형태로 층류와 난류를 확인할 수 있다. 하지만 그외에도 다양한 방법이 있어서 터프트(Tufts)라고 부르는 일종의 실을 모형 표면에 촘촘히 매달아 모형 표면에서의 움직임을 관찰한다던가, 특수도료를 발라서 도료의 움직임을 확인하는 방식 등 다양한 방법이 확인하고자 하는 유체의 움직임에 따라 결정된다.
4. 여담
- 항공우주공학 분야 이외에도 건축이나 토목분야에서도 대형 건물이나 도시(여러 건물들에 의한 영향) 교량이 바람의 영향을 어떻게 받는지 실험하기 위해 풍동을 사용한다. 최근 컴퓨터의 발전에 따라 전산유체역학과 함께 상호보완의 개념으로 풍동실험이 실행된다.
- 풍동의 자세한 정보는 영문위키 항목에서 확인할 수 있다. 운영이나 구조의 다양한 방식에 대해 움짤까지 존재한다. 영문위키
4.1. 수동
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| 도쿄대학 대기해양연구소의 수동(水洞, water tunnel) |
공기가 아니라 물을 움직이는 수동(水洞, water tunnel)도 있다. 선박의 움직임을 측정하거나 교량, 댐 등에 영향을 끼치는 물의 움직임을 연구할 때 이용한다. 경우에 따라서는 항공기 모형을 가지고 실험 할 때, 풍동이 아니라
레이놀즈 수를 맞춰서 수동에 넣고 실험하기도 한다. 주로 높은
받음각으로 비행하는 저속 상황에 대한 실험인데, 모형에서 염료가 흘러나오게 하면 그 흐름의 모양을 눈으로도 쉽게 확인할 수 있기 때문이다.
[1]
일본에서는
洞이 기본한자로 지정되지 않아 옛날에는
風
胴이라고 쓰기도 했다.
[2]
드물게 경비행기 정도면 실물 사이즈 모형을 넣을 수 있는 대형 풍동도 있기는 하다
[3]
시험물을 직접 발사하는 풍동 장비도 소수 존재한다. Ballistic range가 대표적인 장비. 다만 장비 구축 및 운용에 천문학적인 예산이 소요되기에 흔한 장비는 아니다.
[4]
특히 초음속 풍동의 경우 시험 기체 내부 수증기가 응축되는 현상이 발생해버린다.