와류

와류(渦流, eddy, vortex)는 엔진에서 실린더로 들어가는 공기·연료 혼합 가스의 신속하게 소용돌이치는 움직임을 말한다. 발생 기구에 따라 구분하면 흡기행정 중 흡기계에서 생성되는 유입와류(induction swirl, 流入渦流), 압축행정 말기에 피스톤 가장자리로부터 중앙으로의 압입와류(squish, 壓入渦流), 그리고 연소 초기의 연소와류(combustion vortex, 燃燒渦流) 등으로 구분할 수 있다.

개요

와류는 유체의 회전운동에 의하여 주류와 반대 방향으로 소용돌이치는 흐름으로 강하게 회전하면서 흐르는 유체의 형태를 말한다. 또한 상이한 속도의 유체가 만났을 때 발생하는 혼돈 상태의 흐름으로 유체의 흐름의 일부가 교란받아 본류와 반대되는 방향으로 소용돌이치는 현상을 와류 현상이라고 한다. 달리는 자동차는 공기를 상하좌우로 밀어내기 때문에 자동차가 지나간 자리에는 빈 공동이 생긴다. 일시적으로 진공 상태가 되는 이 공간은 압력의 차이로 주변의 것들을 끌어들이는 소용돌이가 발생한다. 이를 유체역학에서 와류라고 한다. 와류가 발생하면 공기가 자동차를 앞으로 밀어 주는 압력이 감소한다. 결과적으로 자동차가 받는 공기저항이 커지게 된다. 그래서 이런 유동 박리 현상이 일어나지 않게 하기 위해 스포일러를 통해 자동차 표면에서 공기의 흐름을 망치는 것이다. 이렇게 자동차의 리어 스포일러는 와류의 발생으로 인한 차량 후미 주변의 압력과 공기 흐름의 불안정, 그리고 양력으로 인한 마찰력 불안정을 억제하는 것이 주목적이다. 와류 현상을 막는 억제하는 또다른 장치로 와류 발생기가 있다. 와류 발생기는 인공적으로 와류를 발생시켜 유동박리로 인해 생기는 와류를 억제할 수 있다. 이러한 와류 발생기의 원리는 자동차뿐만 아니라 비행기에도 적용된다. 비행기의 날개에 설치된 와류 발생기는 양력이 급격히 감소하는 실속 현상을 완화해 준다. 또, 골프공 표면의 구멍인 딤플도 와류 발생기와 동일한 역할을 한다.

종류

유입와류

유입와류는 흡기행정 중 공기가 실린더 내로 유입될 때 생성되는 와류를 말한다. 예를 들면 나선형 흡기관, 또는 시라우드(shroud)가 부착된 흡기밸브를 이용하여 유입와류를 생성시킨다.

압입와류

압입와류는 압축행정 말기에 피스톤헤드 가장자리의 평면부의 실린더헤드 면이 형성하는 원판형 링 모양이 틈새 부분이 공기를 연소실 중앙 부분으로 압입시키는 작용을 할 때 생성되는 와류를 말한다. 피스톤와류(piston swirl)라고도 한다.

연소와류

연소와류는 연소 초기에 연소 압력 차에 의해 생성되는 와류를 말한다. 와류를 그 유동 형태에 따라 스월(swirl), 스퀴시(squish), 텀블(tumble)로 구분하기도 한다. 일반적으로 디젤기관에서 자기착화 이전에 와류가 활발하면 혼합기형성이 촉진되어 연소 초기에 압력이 급격히 상승하고, 자기착화 후에 와류가 생성되면 초기에 연소하는 혼합기량은 적고, 가장 긴요할 때 즉, 크랭크축이 큰 힘을 필요로 할 때 다량의 혼합기가 연소하여 정숙한 연소가 이루어지는 것으로 알려져 있다. 그러나 와류가 지나치게 격렬하면(예：100m/s 이상), 연소실벽을 통한 열손실이 증대되고 착화지연이 연장되어 노크가 유발될 수도 있는 것으로 알려져 있다.

오해와 진실

와류는 다운포스를 만들어내기 위한 과정에서 어쩔 수 없이 따라오는 부산물이라고 생각할 수도 있지만 잘 컨트롤하면 유용하게 사용할 수 있다. 와류를 보면 회오리의 중심부는 파란색으로 압력이 낮고 중심부에서 멀어질 수록 압력이 점점 높아지는 것을 볼 수 있다. 낮은 압력은 때에 따라서 아주 유용하게 쓰일 수 있다. 와류의 또 다른 역할은 공기를 잘 섞어주는 것인데, 층류가 좋기 때문에 층류를 만들기 위해 에어로 장치들을 추가한다는 오해를 부르기도 한다. 층류는 공기 저항이 작기 때문에 이점이 있다. 그러나 층류를 유지하기가 어렵고, 대부분의 상황에서 층류보다 난류, 와류가 유리할 때가 많다. 대표적인 예가 골프공이다. 골프공의 딤플들이 만들어내는 것은 와류가 아닌 난류이다. 난류와 와류는 둘 다 공기의 박리(separation)를 늦추는 역할을 할 수 있다. 층류보다 난류가 표면 마찰에 의한 저항이 더 크지만, 골프공의 경우 표면 마찰에 의한 저항보다 압력차이에 의한 저항이 훨씬 크기 때문에 흐름을 난류로 바꾸어 주는 것이 전체 저항을 줄이는 역할을 하게 된다. 강제로 흐름을 난류로 바꾸어 주면 공기의 박리가 늦어지면서 압력 차이에 의한 저항이 줄어들게 된다. 와류 역시 난류처럼 공기층의 박리를 늦춰줄 수 있다. 대표적인 예가 자동차 루프 후면에 부착하는 와류 생성기이다.

요즘 차들은 루프에서 뒷유리로 이어지는 부위를 완만한 곡선으로 디자인하여 공기가 곡선을 타고 넘어가 박리 발생이 거의 없는 구조로 만들어진다. 하지만 과거의 차들은 뒷유리의 각도가 완만하지 않아 공기가 차체를 따라 흐르기 힘든 구조였고, 이런 경우에는 공기의 박리로 인한 압력차이가 생기고 저항이 커지게 된다. 이 때, 와류 생성기를 활용하면 공기가 차체를 타고 흐를 수 있도록 유도하여 박리 발생을 억제하고 저항을 최소화할 수 있다. 와류는 이렇게 저항을 줄이기 위해서 사용되기도 하지만 박리를 늦추어 최대 다운포스를 늘릴 때에도 사용된다. 그래서 비행기에도 많이 이용되고 있다. 카나드에서 생성되는 와류는 휠하우스뿐만 아니라 자동차의 바닥과 디퓨저에도 영향을 주게 된다. 디퓨저에 달려 있는 세로 핀들도 와류 발생기로써 와류를 발생시켜 압력 차이로 인한 저항을 줄인다.

참고자료

• 〈디젤기관의 와류와 연소실〉, 《네이버 지식백과》
• 박재희 학생기자, 〈자동차 날개의 비밀, 에어로다이나믹스〉, 《코스모스》, 2022-01-05
• 〈(자동차공학) 승용차와 SUV의 와류현상 차이에 의한 뒷와이퍼 유무에 관한 연구〉, 《교보문고》, 2018-07
• 미소카닷컴, 〈자동차의 와류현상에 관한 이야기〉, 《네이버 포스트》, 2020-06-03
• 〈와류와 난류, 오해와 진실〉, 《에이드로》

같이 보기

• 난류
• 리어 스포일러

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