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양력의 발생원리에 대하여 서술하시오

1. 서론2. 본론2-1. 압력 특성에 의한 양력2-2. 순환 특성에 의한 양력(1) Kutta-Joukowsky 이론(2) 마그너스 효과(3) Kutta의 조건2-3. 운동량 특성에 의한 양력3. 결론4. 참고자료1. 서론인류의 기술 발전은 과거부터 계속 거듭하여 약 백여년 전 라이트 형제에 이르러 날 수 있게 되었다. 하늘을 나는 기술은 더욱 향상되어 우리는 대륙을 횡단할 수 있게 되었다. 이러한 항공기가 나는 대에는 공기가 직접적으로 개입하며 이 힘을 공기력이라 부른다. 이 공기력은 두가지로 구분되는데, 하나는 공기의 흐름방향에 수직 방향으로 작용하는 양력이고 다른 하나는 공기의 흐름방향과 반대 방향으로 작용하는 항력이다. 본론에서는 양력의 발생 원리에 대해 알아보도록 하자2. 본론양력은 날개단면이 유체 속을 진행하게 되면 진행 방향의 수직 방향으로 힘이다. 항공기 날개의 양력은 아음속이나 초음속에서 특별히 다를 게 없고 공기의 압축성과 관련된 마하수의 영향을 받을 뿐이다.2-1. 압력 특성에 의한 양력양력에 대해서 살펴볼 때에는 가장먼저 베르누이 방정식에 대해 알아보아야 한다. 베르누이 방정식은 다음과 같다.P= {1} over {2} rho V ^{2} =P _{t}p는 정압을 나타내는 기호이다. 정압은 정지한 유체에 가해지는 힘이다. 파스칼의 원리에따르면 유체 내의 한 점에 가해진 힘은 동일 유체계 내의 모든 점과 그 방향에서 크기가 같다. 여기서 말하는 힘을 정압 이라고 하고 정지시 작용하는 모든 압력이다. 흐르는 유체가 수직으로 세워진 벽면에 부딪히면 유체는 속도가 0이 되고 벽면에 힘을 가하게 된다. 가해진 힘은 온전히 유체의 운동에너지와 같고 이 힘을 동압이라고 한다. 결국, 베르누이방정식은 좌변 항들, 정압(압력에너지)과 동압(운동에너지)의 합은 일정(전압, 전체에너지)하다는 원리를 식으로 나타낸 것이다.유량의 질량은 날개 통과 후 항상 같아야 하므로 날개단면 앞전에서 동시에 날개 위· 아랫면으로 분리된 공기입자는 동시에 뒷전에서 만나야 한다. 이럴 경우 긴 경로를 지나는 날개단면 윗면에서는 속도가 빨라지고 짧은 경로를 지나는 날개단면 아랫면에서는 속도가 느려지게 된다.베르누이 방정식에서 속도가 증가하면 압력이 감소함을 알 수 있다. 항공기의 날개단면 윗면에 흐르는 공기 속도가 빠르고 날개단면 아랫면의 공기 속도가 느려지므로 날개단면 윗면의 압력은 낮아지고 날개단면 아랫면의 압력은 높아진다. 압력이란 단위면적당 작용하는 힘의 크기이므로 비행 방향의 수직 방향으로 발생하는 양력의 크기를 구하는 식을 다음과 같이 쓸 수 있다.L=(p _{l} -p _{u} )S뉴턴의 저항법칙을 응용하면 압력의 차와 날개 면적이 아닌 압력, 속도, 날개 면적을 이용하여 나타낼 수 있다.L=C _{L} {1} over {2} rho V ^{2} S여기서C _{L}은 무차원 단위의 양력계수이다. 양력계수는 다음과 같이 구할 수 있다.C _{L} = {1} over {c} int _{0} ^{c} {(C _{pl-C _{pu}} )dx}즉, 날개 시위선에 따른 날개단면 위· 아랫면의 압력계수의 관계를 연속함수로써 나타낼 수 있다면 날개단면의 양력계수를 구할 수가 있다. 두 변수의 관계가 불연속 함수일 경우엔 날개 시위선 상에 등 간격으로 설정한 몇 개의 점에서의 압력계수를 구하고, 이를 도표로 작성하여 양력계수를 구할 수도 있다.2-2. 순환 특성에 의한 양력(1) Kutta-Joukowsky 이론Kutta-Joukowsky 이론에 따르면 공기의 날개단면 주위 순환 자체만으로는 어떠한 방향 으로도 양력을 발생시키지 않지만 직선유동과 조합될 경우는 양력을 발생시킨다.직선유동 속에 놓인 날개단면 주위에 순환이 존재할 때, 날개단면 주위의 유동을 생각해 보자. 날개단면에 발생하는 양력은 다음과 같다.GAMMA =2 pi vr=2c {vec{v}} (2c은 원주길이,{vec{v}}은 접선 속도)에서 다음 식을 구할 수 있다.ㅣ= rho V GAMMA이 식을 Kutta-Joukowsky 관계식이라고 한다.(2) 마그너스 효과원형 단면 주위에 생긴 순환이 직선유동과 조합될 경우에 양력이 발생 된다. 이 현상을 바그너스 효과라고 한다. 이러한 양력은 직선유동과 회전에 의해 발생한 순환유동이 결합되면 유체유동의 속도를 변화시키기 때문이다. 직선유동과 순환유동이 동일한 방향이면 고속흐름이 생기게 되고, 서로 다른 방향이면 저속흐름이 생기게 된다. 베르누이의 정리에서, 고속흐름 부분에서는 압력이 감소하고 저속흐름에서는압력이 증가하게 된다. 이 압력의 차이로 양력이 발생하게 되며, 이러한 현상을 마그너스 효과라고 한다.(3) Kutta의 조건날개단면 자체가 회전하지도 않는데 양력이 발생하는 까 닭에 대해 살펴보기로 한다.정지해 있는 날개단면에 공기가 홀러 들어오기 시작하면, 길이가 긴 날개단면의 윗면으로 굘러오는 공기보다 길이가 짧은 날개단면의 아랫면으로 홀러오는 공기가 더 빨리 뒷전에 도달하게 된다. 때문에 뒷전에서는 날개단면 아랫면의 공기가 날개단면 윗면으로 휘돌아 올라오는 와동이 형성되게 된다. 그리고 뒤늦게 밀려오는 날개단면 윗면의 공기유동이 이 와동을 뒤쪽으로 밀어내게 된다. 이 와동은 날개 뒷전으로부터 밀려나는 와동의 형태를 갖추는데, 이것을 초기와동이라 한다. 이때, 그림 초기와동의 반작용에 의해 날개를 전체적으로 감싸도는 속박와동이 발생하게 된다.날개 뒷전으로부터의 유면에는 초기와동과 세기와 방향이 같은 수반와동들이 포함되어 있기 때문에 초기와동은 없어지더라도 이 수반와동의 반작용으로써 속박와동이 지속적으로 존재하게 된다.속박와동의 세기는 초기와동의 세기와 동일하며 날개의 받음각이 일정한 상태에서는 그 값이 변하지 않는다. 그 값이 변화하지 않는 이유는 속박와동의 크기가 변화하게 되면 날개 뒷전에 곧바로 반대 성향을 갖는 와동이 유발되기 때문이다.속박와동(bound vortex 가)의 세기와 초기와동(starting vortex：가)의 세기와 동일한 다음과 같은 조건을 ‘Kutta의 조건’이라고 한다.

공학/기술| 2020.10.28| 5페이지| 1,000원| 조회(141)

항공, 양력, 아세아

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