[AngelFounder의 항공과 공학] (3) 비행기 주변 유동장 및 온도 해석

안녕하세요 AngelFounder입니다.

간만에 주제를 무엇으로 써볼까 하다가 제가 최근 배우고있는 유동장과 온도해석에 대해 작성해보고자 합니다.

물론 이 방법은 비행기에만 적용되는것이 아닌 여러가지 분야에 많이 적용되어 쓰이고 있습니다.

자 우선 시작하기전 여러분께 한가지 여쭤보겠습니다.

효율적인 비행기를 만들기 위해서 설계과정을 거친 후 가장먼저 해야할것이 무엇일까요?

자금선정? 도면작성? 

물론 여러가지가 있겠지만 공학적 입장에서 가장 중요한것은 바로 

항공기의 모형을 가상으로 만들어서 그 주변 상황을 체크해보는 시뮬레이션 작업이라고 할 수 있겠습니다.

시뮬레이션작업은 왜하느냐? 이유는 아래와 같습니다.

1. 안전성 확보

2. 비용 절감

3. 시간 절약

자동차를 한번 생각해봅시다. 보통 제품 출시전 충돌테스트를 하게되지요. 그렇게 함으로써 안전성을 얻게 됩니다.

하지만 비행기는 자동차 가격의 수십배에 달합니다. 그것을 부셔보는것은 엄청난 손해가 아닐수 없겠죠?

따라서 반드시 시뮬레이션을 통해 안전성 확보를 하며 이에 부가적으로 얻는것이 비용 절감과 

제품 개발 시간절약의 효과를 같이 얻게 됩니다.

오늘은 비행기 전체에 대한 시뮬레이션을 말씀드리기 보다는 

한 부분인 비행기 주변의 속도가 어떻게 되는가(유동장 분포)와 온도는 어떻게 될것인가에 대한 부분을 말씀드리려고 합니다.

먼저 유동장 해석에 대해 한번 알아봅시다. 

비행기가 속도가 매우 빨라지게 될 경우 비행기 날개와 공기사이의 속도차로 인해 와류가 발생하게 됩니다.

와류란 바로 소용돌이와 같은것을 의미하는데요

이러한 와류는 비행기에 저항을 발생하게 되고, 결국 효율이 떨어지게 하는 원인이 되기도 합니다. 

따라서 이 와류에 대한 해석을 하고 반드시 그것을 줄일 수 있는 방향으로 나아가야 합니다. 

우선 아래 그림을 보며 설명하겠습니다.

위의 사진의 가운데 모눈종이와 같은것이 바로 날개의 단면입니다. 간단히 설명드리기 위해 사각형이라고 생각하고 만들었습니다.

위쪽의 빨간것이 바로 공기가 지나가는것, 즉 공기의 속도라고 보시면 되겠습니다.

그리고 아래쪽에 보시면 뭔가 회전하는듯 보이는 화살표들이 쭉 있는데요 이것이 바로 와류현상입니다.

그리고 오른쪽에 보시면 색깔에 대해 속도가 얼마인지 나와있게 되고 

가장 왼쪽에는 속도가 어떻게 변하고 있는지에 대한 그래프가 나와있습니다. 그래프의 오른쪽 끝이 공기가 지나가는곳이라고 보시면 되겠습니다.

즉 이것을 보며 아 날개의 단면에는 이러한 속도분포가 되어있고, 와류가 이렇게 되있기때문에 

이를 해석하여 와류를 줄일 수 있는 방향으로 나갈 수 있다는 것이죠.

다음으로 온도해석은 어떻게 하는가에 대해 알아봅시다.

온도해석은 왜하는가?

비행기는 높은 상공을 비행합니다. 따라서 매우 추운곳을 날게 되죠

따라서 이 추운날씨에 항공기의 날개에 있는 연료탱크나 피토관(피토관에 대한 설명은 블로그에 있습니다)같은곳이 얼게 되면 안되겠죠?

그래서 반드시 온도분포의 파악을 하고 이에 맞는 조치를 할 필요가 있습니다.

아래 영상을 보며 설명드리겠습니다.

위의 영상은 비행기의 연료탱크의 모습을 나타내었고, 시각적 효과를 극대화하기 위해 탱크 내부가 차갑고 외부가 따뜻할 때, 그리고 시간이 흐르는중에 탱크 내부에서 열이 발생했을 때 

탱크 내부의 온도가 시간에 대해 어떻게 변하는지 나타낸 영상이며, 시간의 변화는 약 2분입니다.

(영상은 10초 이내로 줄여 표현했습니다)

보시면 아시겠지만 점점 따뜻한 온도로 변해가다가 내부에 발열이 되자 온도분포가 변하게 됨을 보실 수 있습니다.

이러한 식으로 유동장과 온도장을 해석하며, 위의 방법 모두 FEM(항공과 공학 2번째 주제 참고)을 사용하여 해석하였습니다.

오늘은 아주 간략하게 해석이란 이런것이다 라는것에 대한 소개만 간단히 드렸습니다.

궁금한점은 언제든 덧글 달아주세요 답변드리겠습니다.

2012.11.04 12:15 AM

AngelFounder 배상

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