양력에 대한 이론으로 세가지 이론이 있습니다.
첫째가 베르누이 효과로 설명하는 것,
둘째가 Kutta condition(코안더 효과)로 설명하는 것,
셋째가 Circulation effect(서큘레이션 효과)로 설명하는 것입니다.
●그러나 베르누이 효과로 설명하는 것은 처음부터 벽에 부딪힙니다.
첫째, 베르누이 효과는 음속을 넘어서는 기체의 양력을 설명하지 못합니다.
(베르누이 효과는 비압축성 유체만을 설명할수 있습니다.. 공기의 유속이 음속을 넘어가면 압축성 유체가 됩니다..)
둘째, 앞에서 갈라진 공기가 뒤에서 만나야 한다는 물리법칙은 존재치 않습니다. 실제 실험이나 시뮬레이션을 해보면 위로 흐르는 공기가 아래로 흐르는 공기를 오히려 지나쳐 흘러버립니다.
●그래서 코안더 효과로 설명하기도 합니다.
코안더 효과란, 유체가 물체의 표면을 따라 흐르는 현상입니다.
세수할때, 물이 팔을 따라 흘러내리는 것을 생각해보시면 됩니다.
날개의 형태는 아래 그림과 같은데, 날개의 윗면은 대각선 아래방향을 향하고 있습니다.
날개 위로 흐르는 공기는 대각선 아래방향으로 흐를 것이고,(다운워시)
공기는 다운모멘텀(아랫방향 운동량)을 가지게 됩니다.이 운동량의 변화만큼 날개가 양력을 가지게 된다는 것입니다.실제로도 날개 윗면의 공기는 대각선 아래방향으로 흐릅니다.
그러나 이 이론에서 치명적 문제가 있는데요 다운워시가 가지는 다운모멘텀만큼
날개 앞쪽의 업워시가 가지는 업모멘텀이 있다는 것입니다.
두 모멘텀은 상쇄되어 아무 양력을 발생시키지 못합니다.
●그럼 서큘레이션 효과란?
한글로 바꾸어보면 '순환력', '순환 효과' 정도가 될 것입니다. 이것은 날개의 양각(날개 앞쪽이 들린 각도:AOA)에 의해 생기는 것입니다. 말로 설명드리기는 힘이 든데요, 약간만 깊이 생각해보시면 금방 이해되실 겁니다.
날개 아랫면으로 갈라진 공기는 양각에 의해 날개 윗면으로,날개 윗면으로 갈라져 올라간 공기는 양각에 의해 날개 아랫면으로 흐르려 합니다.
그런데, 유체는 둥글지 않은(각이 진) 물체의 끝에서는 꺾이지 않고 그대로 지나갑니다. 둥근 물체의 끝에서는 그대로 표면을 타고 흐릅니다. (물론 코안더 효과이긴 합니다.)
즉, 날개 앞쪽은 둥글기때문에 아래의 공기는 위로 올라갈 수 있지만, 날개의 뒤는 그렇지 않기에 위의 공기는 아래로 내려가지 못합니다. 이로 인해 위, 아래의 공기흐름에 차이가 생기고, 압력차가 발생합니다 .
이 압력차이로 인해 양력이 발생할수 있는 것입니다. 이 압력으로 인한 양력은 '쿠타-주코프스키 이론' 으로 구할수 있습니다.
Lift(양력) = airspeed(유속) × circulation × density(밀도차이) × span입니다.
위의 베르누이의 법칙과 코안더효과는 라이트형제가 만든 최초의 비행기인 '라이트 플라이어'의 날개가 만들어내는 양력을 설명하지 못합니다.
(라이트 형제의 날개와 양력)
Comments by LEE
Lifting surface에서 가장 많이 이용되는 Kutta condition과 Circulation effect
Reference
