새들이 V자로 나는 이유 (전공 지식을 곁들인) 그리고 이를 이해하기 위한 여러 설명들
목차
개요
유한 날개에서의 공기역학적 특성을 알아보자.
베르누이 정리
마그누스 효과
d'Alembert Paradox
Kutta-Joukowski theorem
Kutta Condition
Vortex Sheet
Thin Airfoil Theory
에 대한 사전이해를 바탕으로 글을 썼다. (하지만 몰라도 수식적 이해를 제외한 이해는 된다)
Difference with wing of infinite span
지금까지의 Airfoil 이 가진 특성과 실험 data 등은 모두 2-D flow 상의, infinite wing 형태의 데이터 였다.
➡ Span 방향에따른 변화량이 없었다.
또한 Classic thin airfoil Theory 나 Chambed TA 이론도 모두 2D 평면 상의 경우만 고려를 하였었다.
하지만 flow over the finite wing is 3-D = A flow component in the spanwise direction
이번에 알아볼 downwash 와 induced flow 모두 유한날개 상태에서 span 방향으로의 성분이 있기에 일어나는 효과 들이다.
Flow around a finite wing
유한 날개 주변의 유체 거동
2-D flow 에서의 날개 주변 유동을 고려해보았을때 upper에는 Low pressure 가 lower 에는 High pressure 가 걸리는것을 알 수 있었다. 이러한 압력차이가 2-D flow 에서는 날개의 front back face에서만 이동되었었는데
유한 날개에서는 압력의 불균형에 의해 날개의 측면(사진상의 좌우)에도 유동의 움직임이 가능하여 Flow tends to curl around tips 양쪽 끝으로 감겨들어가는 흐름이 생성된다.
결과적으로
On the top surface of the wing
spanwise direction flow slip at the wing-tip bend toward the root of wing
측면에서 감겨서 올라오는 유동에 의해 날개의 중앙부분으로 들어가는 유동이 형성된다
On the bottom surface of the wing
spanwise direction flow slip at the wing-tip bend toward the tip of wing
측면에서 감겨서 올라가려는 유동에 의해 날개의 끝부분으로 빠져나가는 유동이 형성된다
Wingtip vortex
윗면 아랫면에서 거동이 정반대의 방향으로 가는 유체가 만들어지는데 당연히 엄청난 와류가 생성되지 않겠는가?
위의 finite wing 에서 일어나는 upper lower surface의 서로 다른 유체 거동에 의해 일어나는 소용돌이를 wingtip vortex 라고 한다.
여기서 유심히 봐야할 점은 뒤로 생기는 vortex 가 양쪽 모두 윗쪽으로 올라갔다가 비행기 안쪽으로 내려오는 형상을 가지고 있다는 점이다. 다음으로 설명할 DOWNWASH 가 저렇게 아래로 내려오는~ tap water 같은 흐름이기 때문이다.
Downwash 내리.. 흐름?
유한 날개에서의 spanwise 의 흐름으로 인해서 일어난 Wing tip vortex 가 주변 유체의 아랫방향으로의 흐름을 유도한다.
어렵지 않다. 이러한 유도된 흐름이 흐름을 만든 wing 에게도 영향을 미치게 된다.
추후에 이러한 downwash 로 인한 속도 성분이 날개에 영향을 끼치게 되는데 그것이 Induced drag 이다.
infinite wing 상황에서는 Freesteam 에 의한 Geometrical AOA 만 생각했으면 됐는데 이제는 Downwash 와 Freesteam 이 결합된 보정된 Freesteam 에 대한 AOA가 생성되게 된다. 다음에서 알아보자
Induced Drag
일단 좌측 위의 총 세가지의 AOA를 보게되면 처음 AOA는 위에도 설명했던 downwash가 존재하지 않았던 infinite wing에서의 AOA이고 induced AOA는
기존 V(freesteam ; 자유흐름)와 Downwash 성분과의 벡터 합을 통하여 나온 Local Relative wind와 기존 Free steam과 Local Relative wind 와의 각도를 Induced AOA 라고 한다.
양력은 자유흐름의 직교한 방향으로 생성되기 때문에
기존의 AOA 보다 Induced AOA를 제외한 Effective AOA로의 받음각의 감소가 이루어진 것을 확인할 수 있다. 양력은 받음각에 비례하니까(일반적인 영역만) 양력이 줄어들었을텐데 그 줄어든 양력만큼의 벡터성분이 바로 유도 항력이다.
정리하자면
Effective AOA : 실질적으로 작용하는 받음각 성분 actually seen by local airfoil section
Local lift vector : local relative wind에 직교하는 induced AOA에 의해 inclined vector
Induced Drag : Additional Drag Generation
AOA 내에 마이너스가 붙은 이유는 Flow due to downwash 의 방향이 음의 성분이기 때문에 붙게되었다.
Presence of Downwash over a Finite Wing 달랑베르 역설
2-D flow 에서 존재하던 D’Alembert’s paradox 은 Finite Wing에서 어떻게 작동하고 있을까?
The above discussions are still dealing with inviscid, incompressible flow
비점성인데도 2차 무한 span 일때는 항력이 0이었어서 D’Alembert’s paradox가 성립 되었었지만 3차원이 되니 유도 항력이 생성되었다.
There is no skin friction or separation
마찰과 박리가 없는 가정 하에도
There is a finite drag is induced drag on a finite lifting wing even for inviscid flow
비점성인데도 유한 날개의 위에서는 유도항력이 존재하게 된다.
D’Alembert’s paradox does not occur for a finite wing
따라서 유한 날개에서는 D’Alembert’s paradox가 성립하지 않는다.
Alternate Ways to Explain of Induced Drag
유도 항력을 설명하는 여러가지 방법들
type of “pressure drag”
The wing-tip vortex alters the pressure distribution on the finite wing
→ net pressure imbalance exists in the direction
wingtip vortex가 만든 방향이 압력에 의한 항력성분을 만든다.
More energy more drag
wing-tip vortices contain a large amount of translational and rotational kinetic energy
It comes from engine (additional power is required) The energy of the vortices serves no useful purpose. The extra power provided by the engine is required to overcome the induced drag
동일 비행상태를 유지하기 위해서 회전이 있는 유동상황은 더 큰 에너지를 공급해주어야한다.
Profile drag: Viscous drag + Pressure drag (due to viscous effect)
parasite drag : 필연적으로 생성되는 항력이라 기생 항력이라고도 부른다.
2차와 3차의 항력계수는 Induced 를 제외하고 비슷하다.
Winglet 윙렛
실제 항공기에서는 어떻게 이런 유도항력을 극복(효율적인 비행을 위해서) 해낼까?
날개의 끝부분이 휘어져 있거나 split 되어있는 형태로 vortex 생성을 늦추거나 휘어져 올라간 구조물을 타고 downwash의 발생 타이밍을 늦추기도 한다.
하지만 최근 최신기종들에서는 이러한 윙렛을 잘 볼수 없게 되었는데 보잉사에의 최근 기종에서는 Raked Wingtip 이라고
윙렛의 파손위험성 등의 위험 때문에 대체한것일수도 있지만 결론적으로는 Raked Wingtip이 좀 더 연료 효율적이어서 사용하는 경우이다. 하지만 날개의 길이가 긴 항공기 등에서만 쓰이고 여러 조건이 있다고 한다.
또한 최근에는 foldable winglet을 개발하여 효율을 극대화 하는 중이라고 한다.
새들이 V자로 나는 이유
새들이 이러한 원리를 알았을 리는 없고.. 마치 자전거를 탈때 본능적으로 Slipstream을 하는 편이 더 편하기 때문에 뒤에 붙어서 타는것처럼 새들도 느끼는것일까 궁금하다
'미사용 > Engineering' 카테고리의 다른 글
| 자유응답 1DOF 예시 Free Response (0) | 2022.09.28 |
|---|---|
| Initial/Final value theorem 라플라스 변환 초기값,최종값 정리 (0) | 2022.09.27 |
| 라플라스 폴 (0) | 2022.09.21 |
| Laplace Transformation 라플라스 변환 (0) | 2022.09.21 |
| 새로운 카테고리 생성을 하며 (0) | 2022.09.21 |
