이 글에서 우리는 양력, 항력, 피치 역학의 기본 개념을 탐구하고 공기역학과 유체역학 모두에서 그 중요성을 탐구합니다. 비행기 날개와 풍력 터빈 블레이드를 예로 들어 이러한 힘이 어떻게 상호 작용하고 다양한 차량과 기계의 성능과 안정성에 영향을 미치는지 설명합니다. 자세한 다이어그램과 설명을 통해 복잡한 이론에 접근할 수 있으므로 비행 및 회전 시스템에서 이러한 중요한 힘에 대한 이해가 향상됩니다.
**양력 및 항력: 움직이는 익형과 기포의 공기역학 이해**
양력과 항력은 공기 중에서 움직이는 익형에 작용하는 공기역학적 힘과 물 속에서 움직이는 기포에 작용하는 힘입니다. 비행기를 예로 들어(물 속의 거품에도 유사한 원리가 적용됨) 양력, 항력(또는 항력) 및 피치 움직임이 공중에서 비행기의 움직임에 어떻게 영향을 미치는지 살펴보겠습니다.
### 1. 날개는 어떻게 양력을 생성하나요?
날개란 물체가 공기 중을 이동할 때 양력을 발생시키는 모양을 말합니다. 비행기 날개의 단면은 에어포일(Airfoil)로 알려져 있으며 날개의 윗면과 아랫면 사이에 압력 구배를 생성하여 양력을 생성합니다.
**아래 비행기 그림을 참고하세요.**
**그림 1:** 비행기에 작용하는 힘의 개요. 비행기가 비행을 유지하려면 양력은 무게의 균형을 맞춰야 하고 추력은 항력의 균형을 맞춰야 합니다.
비행 중인 비행기의 경우, 비행기에 작용하는 힘에는 비행기를 아래쪽으로 당기는 무게와 뒤로 당기는 항력이 포함됩니다. 동시에 비행기는 추력을 발생시켜 앞으로 이동하고 무게에 반하여 양력을 발생시켜 계속 비행할 수 있습니다.
비행기 날개는 축을 따라 쌓인 여러 개의 익형으로 구성됩니다. 단일 익형의 물리학을 이해함으로써 전체 날개 구조를 지배하는 원리를 파악할 수 있습니다. **그림 2**는 단일 익형에 대한 힘 분포를 보여줍니다. 각 힘의 방향과 크기를 살펴보세요. 이 상태에서는 추력과 양력이 각각 무게와 항력을 초과하므로 비행기는 가속하고 상승할 수 있습니다.
**그림 2:** 비행기 날개의 단일 익형에 힘 분포.
### 2. 에어포일의 압력 분포
상태 "1"은 에어포일과 상호작용하기 전의 상태를 나타내고 상태 "2"는 상호작용 후의 상태를 나타내는 유선형을 생각해 보세요. **그림 3**은 관련 변수의 용어를 보여줍니다.
**그림 3:** 상태 1과 상태 2 사이의 유선형 다이어그램으로, 익형과의 상호 작용 전후를 나타냅니다.
이 유선형을 따라 베르누이 방정식을 적용하면 다음과 같은 결과가 나옵니다.
\(P\)는 정압, \(\rho\)는 유체 밀도, \(U\)는 유체 속도입니다.
익형의 모양은 다양한 목적으로 설계되어 길이에 따라 유체 속도가 달라집니다. 베르누이 방정식에 따르면 속도의 변화는 지역 대기압에 대한 압력 변화로 이어집니다. 이러한 해당 압력 하중은 표면에 수직으로 작용하며 이를 통합하면 단위 면적당 총 힘이 생성됩니다.
**에어포일의 윗면과 아랫면 비교**
2차원 익형의 윗면에서만 공기 흐름을 상상해 보면 최대 두께 곡률 영역 근처에서 속도가 가속되는 것을 관찰할 수 있습니다. 이는 속도 \(U_1\)가 자유 흐름 속도 \(U_2\)보다 크다는 것을 의미합니다. 따라서 정압 \(P_1\)은 자유 흐름 압력 \(P_4\)보다 낮습니다. 이는 상단 표면에 흡입력을 생성하여 에어포일을 위쪽으로 당기고 양력을 생성합니다(**그림 XNUMX** 참조).
**그림 4:** 최대 두께 곡률 근처의 기류 가속도는 국부적인 압력을 감소시켜 양력을 생성합니다.
마찬가지로 바닥면의 압력 분포를 분석할 수 있습니다. 이 특정 에어포일의 경우 공기 흐름이 앞 가장자리 주변에서 가속되어 하향 흡입이 생성됩니다. 더 앞으로 나아가면 기류가 감속되어 압력이 증가합니다. 이 압력은 국지적 대기압보다 높기 때문에 익형에 작용하여 양력을 생성합니다(**그림 5** 참조).
**그림 5:** 앞쪽 가장자리 근처에서 아래쪽으로 흡입하고 중간 부분에서 위쪽으로 당기면 총 양력이 증가합니다. 각 에어포일 주변의 다양한 흐름 패턴은 전적으로 에어포일의 모양에 따라 달라집니다.
상부 및 하부 표면의 압력 분포를 통합함으로써 공기 흐름에 대한 수직 및 평행 구성 요소가 각각 양력과 항력을 제공하는 총 힘 벡터 \( \vec{F} \)를 얻습니다.
**그림 6:** 에어포일에 작용하는 총 힘에는 양력이라고 하는 수직 성분과 항력이라고 하는 평행 성분이 있습니다.
### 3. 리프트란?
양력은 물체의 압력 중심을 통과하고 들어오는 공기 흐름에 수직으로 작용하는 총 힘 벡터 \( \vec{F} \)의 구성 요소입니다. 받음각이 1인 경우 무게와 반대로 작용합니다(**그림 XNUMX** 참조). 양력은 물체가 공기 중에서 이동할 때 생성되는 기계적 힘으로 크기와 방향을 모두 갖습니다.
리프트에는 두 가지 조건이 필요합니다.
1. **유체:** 양력은 고체 물체가 유체와 상호 작용할 때만 생성됩니다.
2. **운동:** 양력은 고체 물체와 유체 사이에 속도 차이가 있을 때만 생성됩니다. 즉, 물체가 유체를 통해 이동할 때입니다. 이 운동은 또한 유도 항력으로 알려진 항력을 생성합니다.
**양력 방정식:** 양력은 유체 밀도, 자유 흐름 속도 및 날개의 기준 영역의 함수입니다. 또한 다양한 모양이나 속도에서 다양한 날개의 성능을 비교하는 데 사용되는 양력 계수라는 무차원 수량도 포함됩니다. 기본적으로 양력 계수는 날개의 모양, 기울기 및 흐름 조건이 양력에 어떤 영향을 미치는지 측정하는 데 도움이 됩니다.
\(F_l\) [N]은 지정된 양력 방향의 힘의 합입니다. \(C_l\)은 양력 계수입니다. \(\rho\) [kg/m3]는 유체 밀도입니다. \(V\) [m/s]는 자유 흐름 속도입니다. \(A\) [m²]는 참고 면적입니다.
### 4. 드래그란 무엇인가요?
항력은 물체의 압력 중심을 통해 유입되는 공기 흐름 방향과 평행하게 작용하는 총 힘 벡터 \( \vec{F} \)의 구성 요소입니다. 영각(1)에서는 비행기의 추력과 반대로 작용합니다(**그림 XNUMX** 참조). 항력은 고체 물체와 유체 사이의 속도 차이로 인해 생성되므로 둘 사이에 상대 운동이 있을 때만 발생합니다. 그러한 움직임이 없으면 끌림도 발생하지 않습니다.
날아다니는 물체에는 두 가지 중요한 항력 유형이 있습니다.
1. **기생 항력:** 형태 항력과 피부 마찰 항력의 조합입니다.
– **형태 끌기:** 이 끌기는 개체의 모양에 따라 달라집니다. 이는 국지적 압력에 물체의 표면적을 곱하여 계산됩니다.
– **피부 마찰 항력:** 이 항력은 유체와 물체 표면 사이의 직접적인 상호 작용으로 인해 발생합니다. 젖은 면적이 클수록 피부 마찰 저항이 커집니다.
2. **유도 항력:** 유도 또는 양력 유발 항력은 양력 생성으로 인해 발생합니다. 비행기에서 날개 끝 소용돌이는 날개 길이 주변의 공기 흐름 분포를 방해하는 소용돌이 흐름을 생성합니다. 이는 양력을 생성하는 날개의 능력을 감소시켜 동일한 양력을 달성하기 위해 더 큰 받음 각도가 필요하므로 항력 구성 요소가 증가합니다.
이 현상은 풍력 터빈과 같은 리프트 기반 터보 기계에서도 나타납니다.
**항력 방정식:** 항력은 유체 밀도, 자유 흐름 속도 및 날개의 기준 영역의 함수이기도 합니다. 여기에는 항력 계수라고 하는 또 다른 무차원 양이 포함되며, 이는 유체 환경에서 날개가 경험하는 항력을 측정하는 데 도움이 됩니다.
\(F_d\) [N]은 지정된 항력 방향의 힘의 합입니다. \(C_d\)는 항력 계수입니다. \(\rho\) [kg/m3]는 유체 밀도입니다. \(V\) [m/s]는 자유 흐름 속도입니다. \(A\) [m²]는 참고 면적입니다.
### 5. 피치란 무엇인가요?
피치 운동은 축을 중심으로 비행기 기수가 위아래로 움직이는 것을 말합니다. 이 움직임은 비행기 날개에 의해 생성되는 양력에 큰 영향을 미칩니다. **그림 7**을 사용하여 무게 중심을 통과하면서 한쪽 날개 끝에서 다른 쪽 날개 끝으로 이어지는 선을 상상해 보세요. 이 축을 중심으로 하는 비행기의 움직임을 고려하십시오.
**그림 7:** 날개 끝에서 날개 끝으로 이어지는 축을 사용한 피치 이동에 대한 설명입니다.
피치 업은 공격 각도(아래 정의)를 증가시켜 전체 힘의 양력 구성 요소를 증가시킵니다(**그림 10** 참조). 이는 하향 편향이 증가하면 날개 위의 공기 흐름이 가속화되기 때문입니다. 위로 더 많이 움직일수록 날개에 의해 생성되는 양력은 더 커집니다. 그러나 이는 지연이 발생하는 특정 지점까지만 지속 가능합니다(아래에서 설명).
**그림 8**은 날개의 피치 각도와 받음 각도 사이의 관계를 보여줍니다. 받음각이 증가함에 따라 양력과 항력의 크기가 어떻게 변하는지 주목하십시오. 두 힘 모두 증가하지만 동일하지는 않습니다. 양력은 항력보다 빠르게 증가하므로 양력 대 항력 비율도 증가합니다.
**그림 8:** 받음각이 증가하면 양력과 항력이 더 많이 생성됩니다. 그러나 리프트-드래그 비율은 증가합니다.
### 6. 공격 각도 및 피치 각도
익형의 경우 받음각은 들어오는 자유 흐름 유체와 앞쪽 가장자리에서 뒤쪽 가장자리까지 연장되는 코드 선 사이의 각도입니다. 피치각은 현선과 기준면 사이의 각도입니다. 기준 평면은 비행 물체의 평지일 수도 있고 터보 기계의 회전자 평면일 수도 있습니다.
**그림 9:** 공격 각도와 피치 각도의 차이를 강조합니다. 받음각은 피치각보다 크거나 작거나 같을 수 있습니다.
기준면에 따라 받음각은 피치각보다 크거나 작거나 같을 수 있습니다.
**스톨:** 받음각을 높이면 양력-끌기 비율이 어느 정도 증가합니다. 이 지점을 넘어 받음각을 더 높이면 양력이 갑자기 감소하고 항력이 급격히 증가하여 실속이 발생합니다. 이는 비행기가 무게를 지탱할만큼 충분한 양력을 생성하지 못해 비행기가 하강한다는 것을 의미합니다.
**그림 10:** NACA 0012 익형의 양력 및 항력 계수; 답장: 레이놀즈
### 실속: 공기 역학 및 유체 역학 환경에서 양력, 항력 및 피치 이해
실속은 무게 균형을 맞추기에 양력이 부족하다는 것을 의미하므로 항공기에서 실속은 어떻게 해서든 피해야 합니다. 압축기에서도 정지 현상이 관찰되어 블레이드 회전이 고르지 않게 되고 로터 속도가 느려지며 블레이드 고장이 발생할 가능성이 있습니다.
### 회전 기계의 리프트, 드래그 및 피치 이동
수평 또는 수직 축 회전 기계는 로터 또는 임펠러와 대칭으로 배열된 블레이드 세트로 구성됩니다. 여기에는 풍력 터빈, 제트 엔진, 원심 펌프 및 압축기가 포함됩니다. 항공기 날개와 마찬가지로 이 블레이드도 일련의 에어포일로 구성됩니다.
**그림 12:** 다양한 에어포일 섹션과 해당 기능을 보여주는 풍력 터빈 블레이드 와이어프레임 스케치. 각 에어포일 섹션에는 서로 다른 기능이 있습니다.
각 에어포일 섹션은 서로 다른 기능을 수행합니다. 루트 근처의 에어포일은 구조적 강성을 보장하는 반면, 중앙과 팁의 에어포일은 주로 양력을 생성합니다.
### 회전 기계의 피치
항공기와 회전 기계의 주요 차이점은 회전 기계에서 에어포일은 자유 흐름 유체와 블레이드 회전이라는 두 가지 구성 요소에서 풍속/흐름을 경험한다는 것입니다.
**그림 13:** 항공기 날개는 자유류 구성요소에서만 바람을 경험하는 반면, 회전 기계의 익형은 추가적인 회전 구성요소를 경험합니다.
블레이드가 하사점에 있는 상태에서 로터 평면 상단에서 수평축 풍력 터빈 블레이드를 관찰해 보세요. 바람은지면에서 수평으로 접근하여 시계 방향으로 회전합니다. **그림 14**의 평면도 다이어그램은 이를 보여줍니다. 블레이드 폭에 걸쳐 에어포일의 다양한 경사각을 확인하세요.
**그림 14:** 스팬에 걸쳐 다양한 각도로 기울어진 다양한 에어포일 섹션을 보여주는 풍력 터빈 블레이드 골격.
블레이드의 각 부분에는 서로 다른 에어포일 세트가 있습니다. 이는 앞서 언급한 것처럼 각 부분이 서로 다른 기능을 가지고 있음을 의미합니다. 골격은 각 익형이 서로 다른 피치 각도를 가지고 있음을 명확하게 보여줍니다. 피치 각도는 블레이드 루트/허브 근처에서 더 크고 팁 근처의 피치 각도는 더 작습니다. 이에 대해서는 아래에서 설명하겠습니다.
**흐름 각도:** 흐름 각도 \(ф\)는 들어오는 풍속과 회전 평면 사이의 각도입니다. 루트에서 블레이드 끝으로 이동함에 따라 이 흐름 각도는 작아집니다. 이는 뿌리 근처의 접선 속도가 끝 부분보다 낮기 때문입니다.
\(v⃗ =\) 접선 속도, \(Ω⃗ =\) 각속도, \(r⃗ =\) 루트/허브에서 떨어진 방사형 벡터입니다.
**그림 15:** 흐름 각도는 결과적인 풍속과 기준 평면 사이의 각도입니다.
풍력 터빈에서 이 기준 평면은 회전 평면입니다. 루트 근처에서는 흐름 각도가 팁에 비해 더 큽니다. **그림 16**은 이 흐름 각도가 받음각과 피치각의 합이라는 것을 간단히 보여줍니다.
**그림 16:** 흐름 각도는 받음각과 피치 각도의 합입니다.
\(ф\)는 흐름 각도, \(α\)는 공격 각도, \(β\)는 피치 각도입니다.
공격 각도가 증가하면 실속이 발생합니다. 따라서 받음각(\(α\))은 지정된 제한 내에서, 특히 흐름 각도(\(ψ\))가 더 큰 루트 근처에서 제어되어야 합니다. 이는 루트 근처의 에어포일을 과도하게 피치하도록 피치 각도 \(β\)를 증가시켜 관리할 수 있습니다.
항력을 줄이기 위해 피치각을 사용하면 블레이드 에어포일 주변의 분리 영역을 줄여 혼합 흐름 터빈의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 아래 다이어그램은 혼합 흐름 터빈의 볼류트를 통과하는 평면의 속도 특성을 보여줍니다.
**그림 17:** 수정된 설계에서는 고정자 블레이드의 블레이드 각도를 줄이면 받음각과 흐름 분리가 줄어들 수 있습니다.
오른쪽 터빈의 속도 벡터와 크기 등고선을 관찰하세요. 외부 블레이드(고정자)의 블레이드 각도를 변경하면 유효 받음각(AoA)이 감소합니다. 이렇게 하면 분리(저속 파란색 영역)가 줄어들고 흐름이 연결됩니다.
