[유체역학실험]유동 가시화(Flow Visualization)

실험 목적

공기 유입속도의 변화에 따른 원통주위에서의 공기흐름현상, 특히 Separation 과 Vortex의 변화를 직접 측정함으로써, 공기 유동을 이해, 해석하는데 목적이 있다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 개요

스모크 발생기를 이용하여 공기의 유동을 스모그의 흐름을 통해 눈으로 직접 확인할 수 있 실험으로, 공기의 유입속도에 따른 유동의 변화를 알 수 있다.

 

2. 실험 배경

상류속도가 매우 낮을 때, 유체는 실린더 주위를 완전히 감싸게 되고(즉 유동은 실린더의 곡면을 따르게 된다), 갈라진 두 유동 줄기는 실린더의 후면에서 만나게 된다. 상류속도가 더 빨라지면, 유체는 정면에서는 실린더를 감싸지만 실린더의 정점에 이르면서 실린더 표면에 부착되기 어려울 정도로 속도가 빨라진다. 그 결과 경계층은 표면에서 이탈되고 실린더 후방에 박리영역이 형성된다. 이러한 후류영역에서는 주기적인 와류가 형성되고 정체점에서의 압력보다 훨씬 낮은 압력이 나타난다.

 

3. 유동 속도를 기준으로 한 분류

유동의 속도와 음속의 비를 사용하여 아음속(subsonic), 천음속(transonic), 초음속(supersonic) 그리고 극초음속(hypersonic)으로 분류할 수 있다. 아음속은 마하 수가 1.0보다 작은 경우, 천음속은 마하 수가 1.0 내외인 경우, 초음속은 마하 수가 1.0보다 큰 경우이다. 또한 풍동(wind tunnel)은 빠르고 센 기류를 일으키는 장치로 고형의 물체 표면 또는 주변에 대한 공기 움직임의 효과 연구를 위한 도구이다.

1) 아음속 풍동(subsonic wind tunnel)

풍동에서 구현할 수 있는 최대 풍속이 음속보다 낮은 풍동시험설비가 아음속풍동이며, 유동가시화 실험에서 쓰였던 장치 역시 아음속풍동 장치이다. 아음속풍동은 fan과 모터에 의해 연속적으로 바람을 불어내는 장치로 각종 balance를 중시한다.

 

2) 천음속 풍동(transonic wind tunnel)

대형 fan과 모터에 의해서 바람을 불어내므로 연속적인 시험이 가능하여 시험생산성이 뛰어나지만, 막대한 건설비용 때문에 항공 산업의 수준이 일정수준 이상에 도달하기 전에는 건설할 여건이 조성되기 어려운 대형 시험설비이다. 설비의 외형규모는 아음속풍동과 큰 차이가 없지만 fan으로 바람을 음속이상으로 불어내기 위해서는 천문학적 규모의 동력이 필요하고, 이를 지탱하기 위한 안전한 구조물을 설계할 수 있는 경험과 기술력이 필수적이다.

 

3) 초음속 풍동(supersonic wind tunnel)

대형 압력용기에 고압의 공기를 저장했다가 1분 이내의 짧은 시간동안 고속으로 공기를 불어내는 방식의 Blowdown System으로 제작된다. 일반적으로 초음속 풍동의 대부분은 Blowdown wind tunnel을 의미하는데, 30초 정도의 짧은 시간동안에 바람을 불면서 비행체 개발에 필요한 많은 데이터를 얻어야 하기 때문에 계속 반복적으로 바람을 불면서 필요한 데이터를 얻어야 한다. 따라서 Blowdown시 풍동의 생산성은 바람을 불어주는 시간 및 압력용기에 공기를 완전히 채우는데 필요한 시간, 그리고 초고속 Data Acquisition의 신뢰성에 크게 좌우된다.

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

① 개방형 아음속 풍동 ② 풍속조절장치 ③ pitot-static tube 이송장치 ④ Digital Camera Recorder ⑤ 제어 및 계산용 컴퓨터 ⑥ Balancing Machine Indicator ⑦ 3-D Balance Machine ⑧ Smoke Generator

 

실험 방법

1. 실험 과정

① 스모그 분배파이프를 풍동 검사부의 원통부 전방에 설치한다.

② 스모그 발생기에 튜브를 설치하고 다시 분배 파이프에 연결한다.

③ 스모그 발생기의 ON 스위치를 켜고 5초 후에 Heat 스위치를 켠다.

④ 스모그 발생기 내의 가열기의 온도가 표시되며, 300℃까지 올라가면 Pump의 스위치를 켠다.

⑤ 스모그 발생기 앞에 있는 풀리를 살짝 돌리고 분배파이프에서 스모그가 나오면 닫는다.

⑥ 스모그 발생기를 풍동 상단에 있는 Fan모터를 풀리에 비추고 전원박스의 다이얼을 이용하여 실험하고자 하는 풍동 Fan의 회전수에 고정한다.

⑦ 고정된 공기유동 속도에서 영상처리장치를 이용하여 필요한 부위의 유동 현상의 영상을 기록한다.

⑧ 위의 ⑥번 단계를 반복하여, 실험하고자 하는 Fan의 회전수를 고정 한 후, ⑦번의 작업을 반복하여 유동현상의 영상을 기록한다.

 

실험 결과

1. 결과 data

풍속	가시화 사진
0.4 m/s
0.57 m/s
1.78 m/s

 

풍속(m/s) 특성값		0.4 m/s	0.57 m/s	1.78 m/s
Separation Angle (θ)	degree
재순환영역의 크기(L)	㎜	약 220	약 215	약 200

토의 사항

1. 실험 고찰

유체는 빠른 속도로 곡면을 지날 때 물체의 표면으로부터 이탈되고 이것을 유동박리(flow separation)이라 한다. 이는 유동가시화 실험에서 측정한 separation angle로 확인할 수 있다. 풍속 빠르면 빠를수록 물체의 separation angle의 값이 작아져, 유체의 흐름이 물체의 표면에서 이탈해 유동박리현상을 볼 수 있다. 유체가 물체로부터 박리될 때, 물체와 유동사이에는 박리영역(separation region)이 형성된다.

이는 위 실험에서 특정한 재순환영역의 크기가 될 것이다. 재순환영역의 크기는 풍속이 빨라질수록 줄어들고 있다. 따라서 유동가시화 실험을 통해 풍속이 빨라질수록 유동박리가 심하게 일어나며, 박리영역은 짧아지고 풍속이 느릴수록 유동박리가 작게 일어나며, 박리영역은 길어진다는 유동 Pattern을 알 수 있다.

 

참고 문헌

1. 풍동 실험 매뉴얼, 유체역학 교재 11-6강 p.545