오늘은 유동 박리 (flow separation) 및 경계층 유동, 그리고 원인과 결과에 대해 포스팅 하겠습니다. 가장 간단하게 설명드리면, 유동 박리란 유체가 물체의 표면 (예, 항공기 날개 또는 자동차 표면)을 따라 흐르다가 특정한 조건에서 유체가 표면으로부터 떨어져 (= 박리 되어) 유동이 불안정해 지는 현상입니다.
유동 박리 발생 원인
유동 박리는 물체의 형상, 표면 조건, 유체의 속도 및 밀도 등 여러가지 요인에 의해 종합적으로 영향을 받습니다.
주로 물체의 곡률 (sharp-edge, rounded-edge), 각도 변화 (angle of attack, AoA), 유체의 점성 (viscosity), 압력 분포 (adverse pressure-gradient) 등이 유동 박리를 유발시키는 주요 원인으로 작용합니다. 유동 박리는 항공기, 자동차, 선박 등 다양한 분야에서 중요한 영향을 끼칩니다.
유체는 기본적으로 고체와 달리 형태를 유지하는 것이 어렵습니다. 유체 분자들은 서로 간에 상대적으로 자유로운 움직임을 하며, 이로 인해 유체는 변형 가능한 형태를 가지죠. 또한 유체의 움직임은 그 주위에서의 압력, 속도, 밀도 등의 변수에 의해 결정됩니다.
- 압력 변화 : 물체 주위의 유체는 압력이 변하는 경향이 있습니다. 물체의 곡률이나 각도 변화에 따라 압력 분포가 변하면, 압력 차이가 유체를 물체 표면에서 떨어져 나가게 할 수 있습니다.
- 경사 각도와 볼록/오목 부위 : 물체의 표면이 급격한 각도 변화를 가지거나 볼록 또는 오목한 edge를 가질 때, 유동 박리가 발생 합니다.
- 점성력과 압력 구배 : 유체의 점성은 유동 박리가 발생되는 원인입니다. 유체가 물체 표면에 접촉 할 때, 점성력은 경계층(boundary-layer)을 형성시킵니다. 만약 점성력이 압력 구배와 어긋나거나 충분하지 않다면, 유동 박리가 발생됩니다.
- 유체 속도와 Reynolds 수 : 레이놀즈 수는 유체의 속도, 밀도, 특성 길이 등과 관련된 무차원화 된 값으로, 유동의 불안정성 간단하게 판단하는 척도입니다. 일반적으로 높은 레이놀즈 수에서는 유동 박리가 더 자주 발생 할 가능성이 높습니다.
- 유체의 압축성과 초음속 효과 : 초음속 유동에서는 유체의 속도가 음속에 근접하여 압축성 효과가 발생됩니다. 이러한 효과로 인해 압력 분포가 변하고, 유동 박리가 발생합니다.
- 난류 (turbulence) : 유동이 난류를 형성하는 경우에도 유동 박리가 발생 할 수 있습니다. 난류는 유동의 불안정한 움직임입니다.
유동 박리 제어를 통한 실생활 예제
유동 박리 현상은 많은 공학 분야에서 중요한 영향을 미칩니다. 항공기, 자동차 선박 등 다양한 물체 주변에서 유동 박리는 물체의 움직임, 항력, 양력 등 공력 성능 등에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 많은 연구자들은 이를 예방하거나, 정확히 제어하기 위해 다양한 기술과 설계 디자인을 개발하고 연구합니다.
유체 역학에서 유동 박리는 매우 복잡하고 다양한 현상을 포함하며, 이를 이해하고 제어하는 것은 매우 매우 중요합니다.
- 항공기 날개 : 항공기 날개에서 발생되는 유동 박리 현상은 날개 뒷단에서 형성되는 후류 (wake)에 의한 항력 (drag) 증가로 이어집니다. 이를 최소화 하기 위해 날개 단면을 최적화 하거나, 유동이 날개 표면을 최대한 오래 버틸 수 있도록 인위적 난류도 증가 기술들을 채택합니다.
- 슬롯 (slot)과 스태거 (stagger) : 슬롯은 날개의 전방면에 작은 구멍을 만들어 유체를 주입하는 것이며, 스태거는 날개 표면에 작은 기장을 만들어 유체 흐름을 분산시키는 역할을 합니다.
- 슬롯 (slot) : 날개 전방면에 구멍을 만들고, 유체를 주입하여 flow에 추가적인 모멘텀을 공급합니다. 이로써 유체가 더 증가된 관성력으로 날개 표면에서의 마찰을 버티며 유동 박리 지연을 초래합니다.
- 스태커 (stagger) : 날개 표면에 작은 기장을 만들어 유동의 난류성을 증가 시킵니다. 이로써 유동 박리 영역에서 더 낮은 압력 분포를 보이고, 떨어져 나간 유체는 re-balancing을 통해 항력을 저감합니다.
- 자동차 뒷면 유동 제어 : 자동차 뒷면에서 유동 박리는 항력을 증가시키고 연비를 심각하게 떨어뜨립니다.
- 스플리터 (splitter) : 자동차 전면 하단에 설치된 스플리터는 고속도로 등에서 고속 주행 시 자동으로 유동 박리를 제어하는 기술입니다. 스플리터는 낮은 압력 영역에서 고속 유체를 상단으로 유도함으로써 분리된 영역을 줄이기 때문에 항력을 최소화하는 역할을 합니다.
- 디퓨터 (diffuser) : 자동차 뒷부분에 설치되는 디퓨저는 유동 박리는 감소 시켜 항력을 감소 시킵니다. 메커니즘은 동일합니다.
- 선박의 유동 제어 : 선박의 선수부 (앞쪽)와 배후부 (뒷쪽)에서 발생하는 유동 박리는 항해 성능과 연료 효율에 영향을 줄 수 있습니다.
- 바우 스러스터 (bow thruster) : 선수부에 설치된 바우 스러스터는 유동 박리를 제어하는데 사용됩니다. 바우 스러스터는 횡향으로 작용하는 추력을 발생시켜, 선수부의 유동을 자조정하여 유동 박리를 방지하거나 최소화합니다.
- 스러스터 (thruster) : 스러스터는 선박의 측면에 설치되며, 발생 메커니즘은 동일합니다.
이러한 예제들은 고속 이동체나 대형 운송 수단에서 발생하는 유동 박리 문제를 다루는데 일부분에 불과합니다. 각 분야 별 더 많은 연구와 기술 발전이 이루어지고 있으며, 유동 박리 문제에 대한 다양한 해결책이 개발되고 적용되고 있습니다.