위키원
풍동
풍동(風洞, wind tunnel)은 빠르고 센 기류를 일으키는 장치이다.
공기가 흐르는 현상이나 공기의 흐름이 물체에 미치는 힘 또는 흐름 속에 있는 물체의 운동 등을 조사하기 위해 인공적으로 공기가 흐르도록 만든 장치이다.
항공기용의 경우, 실물과 비슷한 모형이나 실물을 이용하여 비행기가 받는 공기력·모멘트 등을 실험적으로 측정한다. 보통의 풍동에서는 기류를 순환시켜서 연속적인 흐름을 만드는데, 기류를 어떻게 순환시키는가에 따라 폐회로식(閉回路式)과 개방로식(開放路式)으로 분류하고, 또 측정부의 측정방법에 따라 폐쇄식과 개방식으로 나눈다.
소형의 모형을 사용하는 풍동 실험은 실물을 직접 측정하는 것에 비해 모형을 계통적으로 변화시켜 측정결과를 해석할 수 있으므로, 비용이 적게 들고, 쉽고 안전하게 실험할 수 있는 장점이 있다.
그러나 모형과 실물 사이의 크기의 차, 속도의 차 등 여러 측정량의 차이가 측정결과에 큰 영향을 미치므로 실험결과가 때때로 실물에 의한 실험결과와 다른 경우가 있으므로 측정결과를 해석할 때 신중히 고려할 필요가 있다. 이 때문에 풍동 내의 압력을 높이기도 하고, 밀도가 큰 기체를 사용하거나 실물을 넣을 만큼 큰 풍동을 건설하기도 한다.
풍동은 기류의 순환방법에 따라 괴팅겐형·에펠형·NPL형 등으로 나누며, 용도 또는 성격으로부터 실물풍동·고압풍동·고속풍동·수직풍동·자유비행풍동·연기풍동 등으로 분류한다.
풍동은 19세기말 영국에서 항공기의 개발을 위하여 처음으로 만들어진 이래 항공, 기계뿐만 아니라 [[토목], 건축, 환경, 전기 등 각종 공학 분야에서 바람에 의한 각종현상을 파악하기 위하여 사용되고 있다.
개요[편집]
항공기나 우주선이 특정 비행속도/고도로 비행하는 환경을 지상에서 유체역학적으로 예측하기 위해 사용하는 장치다.
보통 축소모형을 풍동에 넣어두고, 바람을 일으켜서 예측한다. 비행기(혹은 그 축소모형)가 실제로 공기를 가르며 비행하거나, 반대로 비행기는 가만히 있고 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. 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.
특징[편집]
인공으로 음속 또는 음속 이상의 바람을 일으켜 강하고 센 기류가 비행체에 미치는 영향을 실험하는 터널형 장치다. 음속인 마하 1.0의 속도를 넘어서면 극심한 유동(流動) 현상이 발생하는데, 풍동 앞에 초고속 비행체의 모형을 놓고 기압·풍량·공기저항·재료의 내열 등을 종합적으로 계측하는 것이다.
풍동은 현재 미국·러시아·중국 등이 경쟁적으로 개발하고 있는 극초음속 무기 생산을 위해 필수적으로 갖춰야 하는 시설이다. 극초음속 무기는 속도가 마하 5 이상이어서 지구상 어느 곳이든 1~2시간 내 타격이 가능하고, 고도와 방향을 바꾸기 때문에 비행 궤적 예측이 불가능하다. 이에 현재의 미사일방어시스템으로는 탐지 및 요격이 매우 어려워, 전장의 판도로 바꾸는 '게임체인저(game changer, 어떤 일에서 결과나 흐름의 판도를 뒤바꿔 놓을 만한 중요한 역할을 한 인물이나 사건, 제품 등을 이르는 말)'로 꼽힌다.
한편, 풍동 크기가 커질수록 보다 큰 항공기 모델이나 실제 크기의 극초음속 무기를 풍동 안으로 넣을 수 있기 때문에 더 정확한 데이터를 얻을 수 있다.
분류[편집]
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.
해석법[편집]
_%ED%95%B4%EC%84%9D.png)
사진은 T-38 Talon 훈련기가 만드는 충격파를 촬영한 것이다. 이런걸 슐리렌(Schlieren)이라고 하는데, 직진하는 빛이 불균일한 영영역 도달했을 때 불규칙적으로 굴절되는 원리를 이용한 방법, 즉 유동의 밀도변화에 의한 광 굴절의 원리를 이용하여 유동의 정성적인 특성을 분석할 수 있다. 슐리렌의 분석법에도 조건부 추출법(Conditional Sampling Analysis) 등 여러 방법이 존재한다.
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.
기타[편집]
- 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 설계 제조사로는 미쓰비시 중공업이 유명하다. 홈페이지에(https://www.mhi.com/jp/products/industry/testequipment_transonic.html)는 각종 풍동설비가 소개되어 있다.
- 풍동의 자세한 정보는 영문위키 항목에서 확인할 수 있다. 운영이나 구조의 다양한 방식에 대해 움짤까지 존재한다. "Wind tunnel"
- JAXA의 풍동시설 소개 페이지(https://www.aero.jaxa.jp/facilities/windtunnel/)
- NASA 풍동시험 가이드([https://researchdirectorate.larc.nasa.gov/wp-content/uploads/sites/63/2016/03/Testing-Guide.pdf)
수동[편집]
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.
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
