본문내용
1. 실험 목적
1.1. 풍동 실험의 목적
풍동 실험의 목적은 유체 중에 잠겨 있는 물체 둘레에서의 유동 양식을 알아보고자 하는 것이다. 예를 들어 비행기나 자동차 등이 움직일 때 받는 저항, 그리고 정적 지지물이 받는 저항 등을 파악하고자 하는 것이다. 본 실험에서는 아음속 풍동을 통해 풍동 내부의 유동 특성 및 물체 주위의 압력 분포 등을 측정하여 풍동 실험에 관한 기본적인 사항을 익히고자 한다.
1.2. 실험에서 목표로 하는 내용
풍동 실험을 통해 유체 중에 잠겨 있는 물체 둘레에서의 유동 양식을 알아보고자 한다. 익형, 실린더, 구 또는 평판 등을 지나는 유동에 대한 특성과 물체에 작용하는 양력과 항력의 특성을 파악하고자 한다. 또한 유체가 물체의 둘레를 지날 때 그 속에서 발생하는 점성작용의 양식을 알아보고자 한다. 이러한 실험을 통해 건축물, 비행기, 자동차 등 다양한 분야에서 활용될 수 있는 기초 자료를 얻고자 한다.
아음속 풍동을 이용하여 풍동 내부의 유동 특성 및 물체 주위의 압력 분포 등을 측정함으로써 풍동 실험에 관한 기본적인 사항을 익히고자 한다. 특히 익형과 실린더 모델을 이용한 실험을 통해 양력과 항력, 항력계수와 양력계수, 양항비, 실속과 박리점 등 풍동 실험의 핵심 개념을 학습하고자 한다. 이를 통해 실제 적용 분야에서의 활용 방안을 모색할 수 있을 것이다.
2. 실험 이론 및 원리
2.1. 항력과 양력의 개념
움직이는 유체의 경우, 물체 표면에서 점성의 영향으로 인해 접선 방향으로 작용하는 전단력과 물체의 표면과 수직 방향으로 작용하는 힘인 압력이 존재한다. 이때 전단력과 압력이 합쳐진 합력의 유동 방향 선분을 항력(drag)이라고 한다. 항력은 유동 방향으로 가해지는 힘이기 때문에 마찰과 같이 유동을 방해하는 현상들을 발생시킨다. 따라서 항력을 최소화하기 위해 공학 설계 및 여러 가지 분석 방법을 진행하고 있다.
한편 움직이는 유체의 경우에서 양력은 항력의 유동 방향에 수직으로 작용하는 성분이다. 즉, 압력과 전단력의 합력 방향에 수직이라고 할 수 있다. 양력은 물체의 흐름 방향에 대한 경사각, 물체의 면적, 흐름 속도, 유체 밀도 등에 따라 정해진다. 양력은 본질적으로 뉴턴의 작용 반작용 법칙에 의해 형성된다. 비행기를 예시로 들면 주변을 흐르는 공기에 대하여 수직 방향으로 힘이 가해진다. 이에 대한 반작용으로 양력이 발생한다. 또한 지나치게 큰 경사각을 적용하게 되면 유동 박리가 발생하게 되므로 적당한 경사각을 사용해야 한다.
이러한 항력과 양력의 개념을 바탕으로 하여 항력계수와 양력계수, 양항비 등의 개념이 정의되며, 이를 통해 유체 유동 특성을 이해할 수 있다. 구체적인 수식과 계산 방법에 대해서는 추가적인 전개가 필요하다.
2.2. 항력계수와 양력계수
물체가 유체 내에서 운동할 때 물체 표면에 작용하는 압력분포에 의한 힘의 공기흐름 방향 성분이 항력이며, 이를 압력항력이라고 한다. 또한 유체의 점성에 의해 발생되는 힘을 마찰항력이라고 한다. 이 두 가지 항력을 합한 것을 에어포일의 형상항력이라고 한다.
양력은 물체의 흐름 방향에 대한 경사각, 물체의 면적, 흐름 속도, 유체 밀도 등에 따라 결정되며 항력의 유동 방향에 수직으로 작용하는 성분이다. 양력은 뉴턴...
