[논문]벽면 근처에서 회전하는 원주의 마그너스 효과

노기덕; 김광석; 오세경

doi:10.3795/ksme-b.2007.31.11.957

문제 정의

본 실험은 원주가 벽면 가까이에서 회전할 때 벽면과 원주의 간격변화에 따라 마그너스 효과에 어떠한 영향을 미치는지를 양력측정 실험과 수소 기포법에 의한 가시화 시험으로 파악한 것이다. 두 실험 모두 회전방향, 간격비 및 주속도를 실험변수로 잡아 행하였다.
본 연구는 벽면에 인접해서 회전하는 원주의 유동장 특성을 가시화 실험 및 양력 측정 실험으로 파악한 것이다. 벽면은 일정류에 대하여 원주 하방에 설치했으며 원주의 회전 방향, 원주와 벽면과의 간격비 H/D 및 주속비 a 를 실험변수로 잡았다.
그 원인으로 회전원주와 경계면 사이의 흐름이 경계면을 따라 흐르다가 원주의 회전방향으로 흐르기 때문이라고 설명하고 있으나 유동장의 가시화 실험으로 보여주지는 못했다. 본 연구는 일정류 중에 벽면 가까이에서 회전하는 원주에 대해 벽면과 원주사이의 간격비 및 주속비에 따라 마그너스 효과 및 흐름 패턴이 어떻게 변화하는지 양력측정 실험과 수소 기포법에 의한 유동장 가시화 실험으로 파악한 것이다. 이러한 문제의 공학적 예로서는 활주로에 이착륙하는 항공기 또는 고속 주행하는 경주용 자동차 바퀴주위의 흐름 등을 들 수 있다.

제안 방법

그래서 수소기포발생장치의 -극은 이 전극에, +극은 동판에 연결하였다. 가시화 사진은 회류수조의 밖에서 일정류와 수평, 수직방향으로 할로겐램프(150Wx2대)에 의한 슬릿상의 조명 광을 비추고 앞서 설명한 바와 같이 거울에 반사된 회전원주 주위의 유맥선을 촬영했다. 이때가 시화 부의 유속은 수소기포가 가장 잘 보이는 U=0.
구동장치는 Fig. 3의 사진에서와 같이 제작하기가 쉽도록 또한 가시화 실험시 조명광이 잘 투과하도록 모터, 커플링, 베어링 및 축을 제외하고는 전부 투명한 아크릴 판을 재료로 하여 만들었다.
2를 설치하고 원주길이의 1/2되는 지점에 양력의 士방향으로 정하중을 가하여 행하였다. 구체적으로 -l.0~l.0N의 범위 내에서 0.2N씩 정하중을 증가시켜가며 각각의 하중에 대응하는 출력전압을 구하였다. 그리고 이 자료를 이용하여 선형최소자승근사법으로 하중과 출력전압 관계식을 구하였다.
일반적으로 벽면의 효과를 정확하게 나타내기 위해 회전 벨트 등을 사용하여 일정류와 같은 속도로 벽면을 이동시켜 가며 실험을 해야 한다. 그러나 본 실험에서는 격판(sider board)의 앞 끝이 원주 중심에서 1.5D(D: 원주의 직경) 밖에 나와 있지 않고 실험범위도 비교적 고 레이놀즈 영역이기 때문에 벽면에서의 경계층 두께가 작을것으로 판단되어 실험장치의 편의상 고정벽면으로 하였다.
항력을 용이하게 분리하여 측정할 수 있도록 단면을 정방형 (12x 12mm)으로 정밀 가공하였다. 그리고 그곳에 흐름에 수직방향으로 양면에 각 1매의 스트레인게이지를 부착하고 브릿지 회로를 결성하여 스트레인량으로 양력을 측정했다. 한편 각 채널의 브릿지 회로에서 나온 출력 파형은 스트레인앰프, AD변환기를 거친 다음 퍼스널 컴퓨터에서 미리 캘리브레이션한 계수에 의해 양.
2N씩 정하중을 증가시켜가며 각각의 하중에 대응하는 출력전압을 구하였다. 그리고 이 자료를 이용하여 선형최소자승근사법으로 하중과 출력전압 관계식을 구하였다. 이때 실험값과 선형관계식에서 구한 값에서의 평균제곱근 (rootmeansquare) 오차는 양.
것이다. 두 실험 모두 회전방향, 간격비 및 주속도를 실험변수로 잡아 행하였다. 먼저 회전원주 마그너스 효과의 크기를 나타내는 양력계수 은 다음과 같다.
것이다. 벽면은 일정류에 대하여 원주 하방에 설치했으며 원주의 회전 방향, 원주와 벽면과의 간격비 H/D 및 주속비 a 를 실험변수로 잡았다. 실험범위 H₇D=O.
이때 회전원주는 마그너스 효과에 의해 흐름에 수직 방향으로 양력 L을 받게 된다. 실험은 원주의 회전방향, 원주와 벽면과의 거리 및 회전속도를 변화시켜가며 행하였다. 즉 간격비 H/D 및 주속비 a 를 실험변수로 잡아 회 전원주에 작용하는 양력을 즉정함과 동시에 수소기포법을 이용하여 원주 주위의 흐름패턴을 가시화하였다.
2에 나타낸다. 실험은 이 구동장치를 제작하여 일정류가 얻어지는 회류수조에 장착하여 행하였다.
항력 값으로 출력된다. 양력의 캘리브레이션은 물을 채우지 않은 회류수조의 수로에 회전원주의 구동장치 Fig. 2를 설치하고 원주길이의 1/2되는 지점에 양력의 士방향으로 정하중을 가하여 행하였다. 구체적으로 -l.
실험은 원주의 회전방향, 원주와 벽면과의 거리 및 회전속도를 변화시켜가며 행하였다. 즉 간격비 H/D 및 주속비 a 를 실험변수로 잡아 회 전원주에 작용하는 양력을 즉정함과 동시에 수소기포법을 이용하여 원주 주위의 흐름패턴을 가시화하였다. 일반적으로 벽면의 효과를 정확하게 나타내기 위해 회전 벨트 등을 사용하여 일정류와 같은 속도로 벽면을 이동시켜 가며 실험을 해야 한다.
또한 일정류중에서 양.항력을 용이하게 분리하여 측정할 수 있도록 단면을 정방형 (12x 12mm)으로 정밀 가공하였다. 그리고 그곳에 흐름에 수직방향으로 양면에 각 1매의 스트레인게이지를 부착하고 브릿지 회로를 결성하여 스트레인량으로 양력을 측정했다.

대상 데이터

회류수조상에 실험장치를 고정할 고정판은(fixed plate)은 가로 270mm, 세로 300mm로 두께 10mm의 아크릴 판으로 제작했으며, 그 상부는 모터 고정판을, 하부는 측정부를 강력 접착제로 고정시켰다. 모터(DC 3W)의 동력은 커플링, 축을 경유해서 원주에 전달되며, 원주의 회전속도는 모터 컨트롤러 및 디지털 표시기로 제어한다.

성능/효과

(1) 시계방향으로 회전할 경우 간격비가 작을수록 상부 박리점은 회전방향으로 더 많이 이동했고, 평균양력계수도 증가했다.
(2) 반시계 방향으로 회전할 경우 간격비가 클수록 하부 박리점은 회전방향으로 더 많이 이동했고, 평균양력계수도 음의 방향으로 증가했다.
(3) 시계방향으로 회전할 경우 주속비가 증가할수록 평균양력계수는 간격비와 관계없이 거의 일정한 형태로 증가했다.
(4) 반시계방향으로 회전할 경우 주속비가 증가할수록 평균양력계수는 음의 방향으로 증가했으나, 그 증가폭은 간격비가 큰 쪽이 더 컸다.
(5) 큰 간격비 (H/EU0.4)에서 양 회전방향 모두 주속비가 증가할수록 박리점의 위치가 회전 방향으로 이동했으며, 같은 주속비에서는 반 시계 방향이 시계방향보다 더 많이 이동했고 양력계수의 절대치도 컸다.
각 원주상의 가장자리에 표시한 검은 점은 박리점을 표시한 것이다. 먼저 (a) 시계방향으로 회전하는 경우를 보면 H/並=0.1에서는 원주와 벽면사이에서의 흐름은 거의 보이지 않고 상부 박리점의 위치도 H/D=0.2 및 0.4경우보다 회전방향으로 더 많이 이동해 있다. Fig.
4경우보다 크게 나타나 있는 것은 이런 흐름의 영향으로 판단된다. 다음 (b)반시계방향으로 회전하는 경우를 보면 간격비 H/D가 증가할수록 원주와 벽면사이 흐름의 양도 많아지고, 하부 박리점의 위치가 회전 방향으로 많이 이동해 있다. 이 역시 Fig.
Swanson")은 회전원주의 마그너스효과에 관한 그때까지의 여러 연구결과를 정리했다. 결과를 요약하면 레이놀즈 수에 따라 다소 차이가 있으나 회전원주의 양력계수는 원주의 종횡비 (aspect ratio)가 클수록, 주속비(회전원주의 주 속도와 일정류와의 비)가 클수록 증가했다. 또한 주속비가 a =0-1.
Yagita00 등은 지면효과에 관한 기초연구로서 회전원주가 경계면(지면)에 다가갈 때 마그너스효과가 어떻게 변화하는가를 원주 주위의 압력분포를 측정해서 양력변화를 구하였다. 그 결과 원주 아래쪽에 경 계면이 있을 때 원주가 반시계 방향으로 회전하면 회전원주가 경계면에 접근한 어느 위치에서 양력이 갑자기 변하는 스위칭 현상이 일어나는 것을 발견했다. 그 원인으로 회전원주와 경계면 사이의 흐름이 경계면을 따라 흐르다가 원주의 회전방향으로 흐르기 때문이라고 설명하고 있으나 유동장의 가시화 실험으로 보여주지는 못했다.
최근 노와 강©은 정방형 딤플을 가진 회전원주에 대해 딤플의 유, 무에 따른 유동장 특성을 실험적으로 조사했다. 요약하면 원주에 정방형 딤플을 설치하여 회전시키면 매끄러운 원주에 비해 양력은 증가하나 항력은 다소 감소하였다.
8에 주속비 a 변화에 따른 평균양력계수#을 나타낸다. 전체적으로 보면 시계방향(+3) 및 반시계 방향 (-3)으로 회전할 경우 모두 주속비가 증가할수록 평균양력계수의 절대 값이 증가하고 있다. 또한 +3인 경우는 간격 비 H/D= 0.

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