공기의 성질과 점성 효과

12장에 이어서 계속해서 고양력 장치에 대해 설명하겠습니다.

 

1. 고양력 장치 (2)

뒷전 플랩형 고양력장치의 종류에는 평면 플랩, 스플릿 플랩, 잽 플랩, 슬롯 플랩, 파울러 플랩 등이 있습니다. 평면 플랩은 단순히 날개의 캠버를 바꿔 양력계수를 크게 해주며, 스플릿 플랩은 날개 아래에 장치되어 캠버를 증가시켜 최대 양력계수를 높이는데 플랩 후류에 의해 항력이 증가된다는 단점을 가집니다. 슬롯 플랩은 슬롯의 수에 따라 이중 또는 삼중 슬롯 플랩으로 불리며, 캠버 및 날개 면적을 증가시키며 동시에 슬롯 흐름이 경계층에 에너지를 제공하여 실속을 지연시킵니다. 슬롯의 수가 증가할수록 플랩으로서의 효과는 좋으나 구조가 복잡해지고 정비가 불편해집니다. 앞전 플랩은 그 형태에 따라 크뤼거 플랩, 슬롯 날개, 슬랫 등이 있습니다. 가동 슬랫이 가장 많이 사용되는데 이착륙때만 작동시키고 고속비행에서는 날개 안으로 집어넣어 고속에서의 단점을 보완합니다.

 

2. 공기의 성질

공력은 비행기 주위를 흐르는 공기흐름의 성질에 큰 영향을 받습니다. 아주 낮은 속력에서부터 음속의 몇 배에 해당되는 매우 빠른 속력에 이르기까지 다양한 속력 범위에서 비행하는 항공기는 대기를 구성하고 있는 공기의 물리적 특성인 압력, 밀도, 온도, 등의 물리적 상태량에 따라 그 비행성능이 결정됩니다. 공기는 기본적으로 점성을 가지고 있으므로 비행기 표면을 따라 흐르면서 경계층을 형성하여 양력이나 항력에 큰 영향을 미치게 됩니다.

 

3. 점성효과

모든 유체는 점성을 가집니다. 점성을 가진 공기가 고체 표면을 따라 흘러가면 공기 입자는 고체와 접촉하는 면에서 공기의 점성력에 의해 고체 표면에 달라붙게 됩니다. 따라서 고체 표면에서 공기의 상대속력은 0이 됩니다. 고체 표면으로부터 조금 떨어진 곳의 공기 입자는 유한한 크기의 속력을 갖게 되며, 표면에서 멀어질수록 공기 입자의 속력은 점점 더 커져서 특정 거리 이상 멀어지면 점성의 영향을 더 이상 받지 않게 되고 자유 흐름의 속력과 동일해집니다. 이와 같이 공기 입자가 점성의 영향을 받아 속력의 변화가 생기게 만드는 얇은 층을 경계층 이라고 하며, 경계층 내에서는 고체 표면에 수직한 흐름 속력의 변화가 생깁니다. 

경계층 내에 존재하는 흐름 속력의 차이는 흐름층 사이에 전단력을 발생 시킵니다. 즉, 속력 차이가 있는 흐름 내에서는 항상 전단력에 의한 마찰이 발생합니다. 고체 표면에는 공기흐름과 같은 방향의 힘인 표면마찰항력이 작용합니다. 전단력의 크기는 흐름 속력의 변화율과 유체의 점성 크기에 따라 비례하게 됩니다.

 

4. 층류와 난류

경계층 내부에서의 흐름은 그 모양에 따라 층류와 난류로 구분됩니다. 이전에 레이놀즈 수에 대한 설명을 다시 가져오자면 점성을 가지고 있는 유체의 특성을 결정하는 가장 중요한 변수라는 것입니다. 레이놀즈 수가 작은 흐름은 층류이고, 레이놀즈수가 점차 커져 어떤 값에 도달하게 되면 난류로 바뀌게 됩니다. 층류 유동은 인접한 유체 층 사이에 거시적인 혼합이 없는 상태로 염료 등을 이용하여 가시화할 경우 염료가 퍼지지 않으면서 하나의 선으로 유체와 함께 흐르게 됩니다. 층류 유동에서는 속력의 변화가 작아 전단력이 작습니다. 그러나 난류에서는 매우 불규칙적인 3차원 유동이 발행하는데 여기에 염료를 주사하게 되면 삽시간에 유동장 전체로 확산되어 수많은 헝클어진 선으로 나타나게 됩니다. 난류 유동에서는 층류 유동에 비해 속력의 변화가 클 뿐만 아니라, 불규칙한 흐름으로 인한 마찰항력이 발생합니다.

공기 입자와 고체가 처음 접촉하는 시점에 고체 표면을 지나는 흐름은 층류였다가 뒤로 갈수록 난류로 바뀝니다. 층류에서 난류로 옮겨가는 부분을 천이라고 합니다. 에어포일에서 천이가 일어나는 위치는 레이놀즈수, 공기흐름의 속력 및 에어포일의 형태 등에 따라 달라집니다.

유체가 고체 표면을 따라 흐를 때, 물체 표면에 발달한 경계층이 과도한 받음각의 증가로 인해 물체 표면으로부터 떨어지는 현상이 일어나는 경우가 생기는데 이를 박리 또는 흐름 분리라 하며, 분리가 일어나는 지점을 분리점이라고 합니다. 에어포일 표면에서 흐름 분리가 발생하게 되는 이유는 받음각의 증가로 인해 에어포일 뒤로 갈수록 점점 커지는 압력에 의해 공기흐름이 방해를 받기 때문입니다. 또한 표면에 붙어 표면을 따라 흐르던 공기 입자는 표면마찰 때문에 에너지를 점점 잃게 됩니다. 따라서 공기 입자의 속력이 점차 줄어들어 결국 표면에서 흐름이 떨어져 나가게 됩니다. 분리가 일어난 이후의 영역에는 불규칙한 소용돌이 모양의 흐름이 생겨나는데 이를 후류라고 합니다.