KR100539968B1 - 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구(sphere)형 3차원 표면을 갖는 운송체가 공기나 물 등에서 이동할 경우 공기나 물 등에 의해 받게 되는 저항, 즉 항력을 줄이기 위한 것으로서, 박리점이 고정되지 않은 구 또는 럭비공 등의 3차원 표면을 갖는 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치를 구성함에 있어서, 상기 운송체의 표면에 슬릿을 형성하고, 상기 슬릿을 통해서 공기나 물 등의 유체를 주기적으로 분사 및 흡입하는 경계층 교란장치를 포함하여 이루어지고, 상기 경계층 교란장치는, 상기 슬릿에 연접하여 형성되는 진동막; 상기 진동막과 서포터에 의해 연결되고, 전자석을 이용하여 상기 진동막을 특정 주파수로 진동시키는 전자석 액츄에이터; 및 상기 진동막의 진동 주파수를 제어하도록 상기 전자석 엑츄에이터에 제어신호를 인가하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 가진부이며, 상기 제어부는, 유체 흐름의 속도에 따라 상기 진동막의 진동 주파수를 쉐딩 주파수의 10배 이상으로 연속적으로 조절하여 항력을 최소화할 수 있도록 유체 흐름 및 운송체의 속도 및 바람의 속도 등을 센서로 실시간 감지하여 미리 입력된 프로그램에 따라 상기 전자석 액츄에이터에 제어신호를 연속적으로 인가하는 것을 특징으로 하기 때문에 가변 박리점을 갖는 소형 및 대형 운송체에 널리 적용되어 항력을 능동적으로 감소시킴으로써 운송체의 연료절감은 물론, 이동속도를 향상시킬 수 있게 하는 효과를 갖는다.

Description

가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치{Drag reduction apparatus of transportation vehicle having a variable separation point}

도 1은 통상적인 구형 표면에 있어서 레이놀즈 수에 따른 항력계수의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 가변 박리점을 갖는 구의 항력 감소 장치를 나타내는 개념도이다.

도 3은 도 1의 경계층 교란장치의 일례를 나타내는 개념도이다.

도 4는 도 2의 경계층 교란장치의 다른 일례를 나타내는 개념도이다.

도 5는 본 발명의 가변 박리점을 갖는 구의 항력 감소 장치의 가진 주파수에 따른 항력 감소를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 가변 박리점을 갖는 3차원 운송체의 항력 감소 장치에 관한 것으로서, 구(sphere)형 표면을 갖는 운송체가 공기나 물 등에서 이동할 경우 공기나 물 등에 의해 받게 되는 저항, 즉 항력을 줄이기 위한 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치에 관한 것이다.

구 형상의 물체가 이동 중에 공기나 물 등의 유체로부터 받는 항력은 이동 속도(U₀)와 구의 직경(d) 및 유체의 동점성계수(kinetic viscosity, v)에 의해 결정되는 레이놀즈 수(Re=U₀d/v)에 따라 달라진다.

일반적으로 물체가 유체로부터 받는 항력은 물체의 단면적과 이동속도의 제곱에 비례하기 때문에 대략 레이놀즈 수가 2000,000 까지는 항력이 이동속도의 제곱(U₀ ²)에 비례하지만 이동속도가 증가하여 레이놀즈 수가 더 증가하게 되면 다른 양상을 보이게 된다.

도 1의 그래프는 레이놀즈 수에 따른 항력계수(2drag/(ρU₀ ²A))의 변화를 보인 것이다.(여기서 ρ는 유체의 밀도, A는 구의 전면 투영 면적으로 π/4 d²)

일반적으로 구형 물체가 이동할 경우 물체의 표면을 따라 흐르는 유동은 전반구에서 후반구로 넘어가면서 점차적으로 증가하는 압력을 이기지 못하고 물체의 표면으로부터 떨어져 나가게 된다. 이를 박리(separation)이라 하고, 이러한 박리가 일어나게 되면 그 이후의 압력이 전반구의 압력에 비해 떨어지기 때문에 전반구와 후반구의 압력 차이가 발생하게 된다.

이러한 압력차에 의해 구(sphere)형 표면을 갖는 운송체가 공기나 물 등에서 이동할 경우 공기나 물 등에 의해 받게 되는 저항, 즉 항력이 발생하게 된다.

비교적 낮은 레이놀즈 수에서는 이러한 박리가 전반구에 나타나게 되어 후반 구의 대부분의 압력이 떨어지기 때문에 전후반구의 압력차가 커서 항력계수도 크지만, 이동속도가 증가하여 일정 레이놀즈 수를 넘게 되면 물체 표면의 유동이 층류(laminar flow)에서 난류(turbulent flow)로 변화하게 되면서 박리가 후반구에서 일어나게 되어 후반구의 일부분에서만 압력이 떨어지기 때문에 항력계수가 급격하게 감소하게 된다.

하지만, 항력 자체는 속도의 제곱에 비례하기 때문에 속도가 증가할수록 대체로 증가하게 된다. 따라서 많은 연구자들이 속도가 낮은 상태에서, 즉 낮은 레이놀즈 수에서 박리를 지연시켜 항력을 감소시키고자 하는 연구들이 수행되었다.

그 중에서 가장 대표적인 방법으로는 물체 표면의 유동을 강제적으로 난류로 만드는 방법이 있다. 즉 트립(trip)을 달거나 표면을 거칠게 하거나 작은 홈들을 형성시키는 방법들로서 골프공 등에 일부 실용화되어 사용되고 있다.

그러나, 이러한 종래의 항력 감소 방법들은 항력 감소 능력이 크지 않고, 가공이 용이하지 않은 경우가 많으며 사용할 수 있는 레이놀즈 수의 범위가 협소하다는 등의 단점이 있다.

따라서, 구 형상 등 박리점이 고정되어 있지 않고, 유동에 대한 항력에 민감한 자동차, 항공기, 선박 등의 운송체나 기타 산업 장비 등 실제 장비들에 적용될 수 있는 3차원 형상의 물체에 있어 에너지 절약과 기기의 성능 증대를 위해 항력 감소 장치가 매우 시급한 실정이었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 가변 박리점을 갖는 소형 및 대형 운송체에 널리 적용되어 항력을 능동적으로 감소시킴으로써 운송체의 연료절감은 물론, 이동속도를 향상시킬 수 있게 하는 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치는 박리점이 고정되지 않은 구 또는 럭비공 등의 3차원 표면을 갖는 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치를 구성함에 있어서, 상기 운송체의 표면의 박리점 이전에 슬릿을 형성하고, 상기 슬릿을 통해서 공기나 물 등의 유체를 주기적으로 분사 및 흡입하는 경계층 교란장치를 포함하여 이루어지고, 상기 경계층 교란장치는, 상기 슬릿에 연접하여 형성되는 진동막; 상기 진동막과 서포터에 의해 연결되고, 전자석을 이용하여 상기 진동막을 특정 주파수로 진동시키는 전자석 액츄에이터; 및 상기 진동막의 진동 주파수를 제어하도록 상기 전자석 엑츄에이터에 제어신호를 인가하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 가진부이며, 상기 제어부는, 유체 흐름의 속도에 따라 상기 진동막의 진동 주파수를 쉐딩 주파수의 10배 이상으로 연속적으로 조절하여 항력을 최소화할 수 있도록 유체 흐름 및 운송체의 속도 및 바람의 속도 등을 센서로 실시간 감지하여 미리 입력된 프로그램에 따라 상기 전자석 액츄에이터에 제어신호를 연속적으로 인가하는 것을 특징으로 한다.

또한, 박리점을 후퇴시키기 위하여 상기 슬릿은, 박리가 일어나는 운송체 표면의 기존 박리점 이전 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

삭제

삭제

삭제

이하, 본 발명의 바람직한 여러 실시예들에 따른 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치는, 박리점이 고정되지 않은 구 또는 럭비공 등의 3차원 표면을 갖는 운송체(1)에 적용되는 것으로서, 상기 운송체(1)의 표면에 슬릿(2)을 형성하고, 상기 슬릿(2)을 통해서 공기나 물 등의 유체를 주기적으로 분사 및 흡입하는 경계층 교란장치(3)를 포함하여 이루어지는 구성이다.

여기서, 상기 슬릿(2)은, 박리가 일어나는 운송체(1) 표면의 기존 박리점(S) 이전 위치에 형성되는 것으로서, 도 1에서와 같이 운송체(1)가 구형일 경우, 유동이 흘러오는 방향 쪽에 있는 전반구에 구의 방위 방향으로 축대칭 형성된다.

즉, 상기 슬릿(2)의 위치는, 유동 방향으로 가장 선단에 위치한 지점인 정체점(T)(stagnation point)으로부터의 각도(A)로 나타낼 수 있으며, 도 1의 구형상일 경우, 슬릿(2)의 각도(A)는 정체점(T)으로부터 대략 75도에 위치하는 것이 적당하다.

또한, 상기 슬릿(2)의 폭은 대략 5도 까지도 가능하지만 주기적인 분사와 흡입이 가능한 한도 내에서 작으면 작을수록 바람직하다.

한편, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 경계층 교란장치(3)는, 크게 진동막(31)과, 전자석 액츄에이터(32) 및 제어부(33)를 구비하여 이루지는 가진부(30)를 갖는 구성이다.

즉, 상기 진동막(31)은, 상기 슬릿(2)에 연접하여 형성되는 것으로서, 상기 슬릿(2)을 통해 유체가 주기적인 분사와 흡입이 일어날 수 있도록 교번 압력을 유도하는 것이다.

또한, 상기 전자석 액츄에이터(32)는, 마치 스피커의 원리와 같이, 상기 진동막(31)과 중간 매개체인 서포터(34)에 의해 연결되고, 전자석 등을 이용하여 상기 진동막(31)을 특정 주파수로 진동시키는 일종의 액츄에이터이다.

또한, 상기 제어부(33)는, 상기 진동막(31)의 진동 주파수를 제어하도록 상기 전자석 액츄에이터(32)에 제어신호를 인가하는 것으로서, 유체 흐름의 속도에 따라 상기 진동막(31)의 진동 주파수를 조절하여 항력을 최소화할 수 있도록 유체 흐름 및/또는 운송체의 속도 및/또는 바람의 속도 등을 센서로 실시간 감지하여 미리 입력된 최적화 프로그램에 따라 상기 전자석 액츄에이터(32)에 제어신호를 연속적으로 인가할 수 있다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 진동막(31)을 원하는 주파수로 작동시킴으로써 원하는 주파수로의 분사와 흡입이 상기 슬롯(2)에서 발생하게 되고, 이 러한 주기적인 분사와 흡입으로 인하여 유체에 경계층을 교란하여 기존의 박리점(S)을 도시된 새로운 박리점(S')의 위치로 뒤로 후퇴시킴으로써 박리점 이후로 발생하는 저압력구간을 최소로 축소시켜서 항력을 최소화할 수 있는 것이다.

이때, 상기 진동막(31)의 임계 주파수는 쉐딩 주파수의 대략 10배 이상으로서 그 이상의 주파수에서 항력감소가 현저하게 발생된다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전자석 액츄에이터(32)는 반드시 구체의 내부에 설치되는 것이 아니라, 구의 외부에 위치하는 전자석 액츄에이터(32)와 구의 내부에 설치되는 진동막(31)을 서로 연결하는 중간 매체인 서포터(34)를 설치할 수도 있다.

위와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치는 주기적인 가진에 의해 박리 이전의 경계층이 교란을 받아 박리가 지연되기 때문에 구의 항력이 감소하게 되는 것으로서, 가진되는 양, 즉 분사와 흡입의 속도는 크게 영향을 받지 않으나 가진 속도가 너무 빠르게 되면 에너지 효율이 낮아지게 되고 항력도 오히려 증가될 수 있다.

따라서, 항력을 줄일 수 있는 바람직한 분사와 흡입의 속도는 대략 외부 유동속도의 대략 5% 이고, 대략 레이놀즈 수 8 × 10⁴ 내지 2 × 10⁵ 까지 항력을 줄일 수 있고, 이러한 바람직한 분사와 흡입의 속도에 따라 상기 진동막이나 전자석 액츄에이터의 규격 및 용량을 결정할 수 있는 것이다.

삭제

여기서, 상기 운송체의 표면 형상이나 속력 등에 의해 박리점이 발생되는 위치가 달라지는 것으로서, 이러한 박리점이 발생하는 이전 위치에 상기 슬릿을 형성한다. 여기서, 이러한 박리점은 운송체의 표면 형상, 즉 표면의 거칠기나 유선형의 정도 등에 의해 그 위치가 달라지는 것으로서, 이러한 박리점의 위치는 상기 운송체의 실제 풍동실험이나 시뮬레이션 등의 가상실험을 통해 찾을 수 있고, 이러한 박리점의 위치 발견에 대한 기술은 해당 분야에 종사하는 당업자에 있어 수정 및 변경이 가능한 것이므로 여기서 상세한 설명은 생략하기로 한다.
또한, 상기 슬릿을 통해 분사 및 흡입되는 공기의 진동 주파수는 유체 흐름 및/또는 운송체의 속도 및/또는 바람의 속도 등을 따라 최적화될 수 있는 것으로서, 이러한 최적의 진동 주파수 역시, 풍동실험이나 시뮬레이션 등의 가상실험을 통해 발견할 수 있는 것이므로 해당 분야에 종사하는 당업자에 있어 수정 및 변경이 가능한 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 구의 경우 특정 주파수 이상에서 약 50%의 현저한 항력 감소를 이룰 수 있는 것이다.
(여기서, 도 5는 무차원 가진 주파수인 가진 스트로홀수(St_d = fd/U_{0 ,} 여기서 f 는 가진주파수)에 따른 가진 전 후의 항력계수의 비의 변화를 나타낸다. 여기서, C_Dbasic은 제어 하지 않았을 때의 항력계수이고, 심볼 □, ○, △는 각각 분사 및 흡입 속도가 각각 5%, 10%, 15%로 가진을 준 경우 항력계수비의 변화이다. St_d < 2.8에는 항력계수비가 거의 변화가 없다가 St_d =2.8, 즉 그래프에서 스트로홀수의 값이 값자기 뚝 떨어지는 부분 이상 부터는 항력비가 갑자기 0.5로 떨어지고, 이는 항력이 약 50%로 크게 감소하는 것을 나타낸다. 특히 분사/흡입의 가진량의 크기에 관계없이 가진 주파수에 대해서만 항력이 변화한다는 것을 알 수 있는데, 이는 특정주파수 이상에서의 가진으로 박리점 이전의 경계층이 층류에서 난류로의 천이가 발생해 유동박리점이 하류로 지연되고 따라서 후류가 작아져 압력이 회복되어 항력이 감소되기 때문이다.)

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상을 해치지 않는 범위 내에서 당업자에 의한 변형이 가능함은 물론이다.

예컨대, 본 발명의 실시예에서는 경계층 교란장치로, 진동막을 갖는 가진부를 예시하였으나 이외에도 전동장치나 유압장치 등 슬롯을 통해 유체를 주기적으로 분사 및 흡입할 수 있는 모든 종류의 장치들이 적용될 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에서 권리를 청구하는 범위는 상세한 설명의 범위 내로 정해지는 것이 아니라 후술되는 청구범위와 이의 기술적 사상에 의해 한정될 것이다.

이상에서와 같이 본 발명의 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치에 의하면, 가변 박리점을 갖는 소형 및 대형 운송체에 널리 적용되어 항력을 능동적으로 감소시킴으로써 운송체의 연료절감은 물론, 이동속도를 향상시킬 수 있게 하는 효과를 갖는 것이다.

Claims (8)

1. 박리점이 고정되지 않은 구 또는 럭비공 등의 3차원 표면을 갖는 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치를 구성함에 있어서,

   상기 운송체의 표면의 박리점 이전에 슬릿을 형성하고, 상기 슬릿을 통해서 공기나 물 등의 유체를 주기적으로 분사 및 흡입하는 경계층 교란장치를 포함하여 이루어지고,

   상기 경계층 교란장치는,

   상기 슬릿에 연접하여 형성되는 진동막;

   상기 진동막과 서포터에 의해 연결되고, 전자석을 이용하여 상기 진동막을 특정 주파수로 진동시키는 전자석 액츄에이터; 및

   상기 진동막의 진동 주파수를 제어하도록 상기 전자석 엑츄에이터에 제어신호를 인가하는 제어부;를 포함하여 이루어지는 가진부이며,

   상기 제어부는, 유체 흐름의 속도에 따라 상기 진동막의 진동 주파수를 쉐딩 주파수의 10배 이상으로 연속적으로 조절하여 항력을 최소화할 수 있도록 유체 흐름 및 운송체의 속도 및 바람의 속도 등을 센서로 실시간 감지하여 미리 입력된 프로그램에 따라 상기 전자석 액츄에이터에 제어신호를 연속적으로 인가하는 것을 특징으로 하는 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 슬릿은, 박리가 일어나는 운송체 표면의 기존 박리점 위치 이전(구형상일 경우, 정체점으로부터 75도 이전)에 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,

   상기 분사와 흡입의 속도는 외부 유동속도의 5% 이고, 레이놀즈 수 8 ×10⁴ 내지 2 × 10⁵ 까지인 것을 특징으로 하는 가변 박리점을 갖는 운송체의 항력 감소 장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images