KR20050008368A - 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속 이동시 대형 운송체 등 물체의 뭉툭한 후부에서 발생하는 압력저하로 인한 항력을 크게 감소시킬 수 있게 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법에 관한 것으로서, 후면이 뭉툭한 물체(예를 들어 트럭 같은 운송체)가 유체의 흐름에 의해 받게 되는 항력(유체 흐름에 대한 저항력)의 감소를 위한 후류 교란장치에 있어서, 유체의 물체 후면에서 발생하는 후류의 웨이크(wake)의 강도를 줄여서 후면 압력을 회복시키도록 물체의 후면 모서리부근에 소정 높이로 돌출되는 교란자(disruptor)를 소정 간격으로 다수개 배치하는 것을 특징으로 하기 때문에 후면이 뭉툭한 운송체에서 발생하는 항력을 크게 감소시켜서 운송체의 연료비 절감을 가능하게 하고, 대폭적인 운송체 구조 변화가 필요 없이 단지 부착하는 것만으로도 별도의 에너지 입력이 없이 항력을 크게 감소시킴으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있게 하는 효과를 갖는다.

Description

항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법{Wake disturbance apparatus for drag reduction and wake disturbance method}

본 발명은 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법에 관한 것으로서, 고속 이동시 대형 운송체 등 물체의 뭉툭한 후부에서 발생하는 압력저하로 인한 항력을 크게 감소시킬 수 있게 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법에 관한 것이다.

일반적으로 대형의 고속 운송체는 대부분의 에너지를 공기로부터 받는 항력으로 인하여 소비한다.

예를 들어, 100km/h 의 컨테이너 차량의 경우 항력으로 인하여 발생하는 에너지 소비량이 전체의 60% 이상이다.

이러한 항력은 주로 물체의 뭉툭한 뒷면 후부로부터 발생하는데 뭉툭한 물체의 후류에 발생하는 웨이크(와류)의 강도를 줄일 수 있다면 후면의 압력을 회복시켜서 운송체의 항력을 줄일 수 있다.

따라서, 종래에는 이러한 후류에서 발생하는 웨이크로 인한 압력의 저하를 방지하고자 하는 시도가 많이 있었으나, 이러한 방법들은 운송체 즉, 물체의 형상을 유선형으로 하는 등 그 구조를 크게 변화시켜야 하거나 혹은 항력감소를 통해서 절약되는 에너지 보다 더 많은 양의 에너지 입력을 필요로 하게 되어 실제 실용화하기에는 많은 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 후면이 뭉툭한 운송체에서 발생하는 항력을 크게 감소시켜서 운송체의 연료비 절감을 가능하게 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 대폭적인 운송체 구조 변화가 필요 없이 단지 부착하는 것만으로도 별도의 에너지 입력이 없이 항력을 크게 감소시킴으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있게 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 항력 감소를 위한 후류 교란장치를 나타내는 사시도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 항력 감소를 위한 후류 교란장치를 나타내는 사시도이다.

도 3 및 도 4는 도 2의 실제 실험장치를 촬영한 사진이다.

도 5 내지 도 7은 레이놀즈수의 변화에 따른 압력계수의 변화를 나타내는 실험데이터이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 항력 감소를 위한 후류 교란장치는, 후면이 뭉툭한 물체(예를 들어 트럭 같은 운송체)가 유체의 흐름에 의해 받게 되는 항력(유체 흐름에 대한 저항력)의 감소를 위한 후류 교란장치에 있어서, 유체의 물체 후면에서 발생하는 후류의 웨이크(wake)의 강도를 줄여서 후면 압력을 회복시키도록 물체의 후면 모서리부근에 소정 높이로 돌출되는 교란자(disruptor)를 소정 간격으로 다수개 배치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 교란자는, 넓은 쪽이 유체의 흐름에 대항하는 방향으로 설치되고, 유체의 흐름과 수직을 이루어 세워지도록 돌출되며, 그 높이(h; height)는 대략 유체 흐름의 경계층 두께와 유사하며, 그 넓이(w; width)는 대략 5mm 내지 30mm 정도인 돌출판이나 또는 상기 교란자는, 소정 구간에서 공기의 흐름이 빨라지는 현상(acceleration)이 일어나고, 이웃하는 소정 구간에서는 공기의 흐름이 느려지는 현상(decelerration)이 일어나도록 공기의 흐름이 빨라지는 구간에서, 공기의 흐름을 모아 안내하도록 소정각도로 경사진 협폭형 날개판; 및 공기의 흐름이 느려지는 구간에서, 공기의 흐름을 흩트려서 안내하도록 소정각도로 경사진 확폭형 날개판;을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 항력 감소를 위한 후류 교란방법은, 후면이 뭉툭한 물체가 유체의 흐름에 의해 받게 되는 항력(유체 흐름에 대한 저항력)의 감소를 위한 후류 교란방법에 있어서, 유체의 후류에서 발생하는 웨이크(wake)의 강도를 줄여서 후면 압력을 회복시키도록 물체의 후면 모서리부근에 소정 높이로 돌출되는 교란자(disruptor)를 소정 간격으로 배치하고, 상기 물체의 높이에 따라 상기 교란자의 배치 간격을 최적화하고, 유체의 흐름이 빨라지는 구간과 느려지는 구간이 상기 교란자의 배치 간격에 따라 번갈아가며 반복되도록 상기 교란자의 형상 및 규격이 결정되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 여러 실시예들에 따른 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 항력 감소를 위한 후류 교란장치는, 후면이 뭉툭한 물체(1)(예를 들어 트럭 같은 운송체)가 유체의 흐름에 의해 받게 되는 항력(유체 흐름에 대한 저항력)의 감소를 위한 것으로서, 유체의 물체 후면에서 발생하는 후류의 웨이크(wake)의 강도를 줄여서 후면 압력을 회복시키도록 물체의 후면 모서리부근에 소정 높이로 돌출되는 교란자(10)(disruptor)를 소정 간격으로 다수개 배치하는 것이다.

이러한 교란자(10)의 형태는 매우 다양할 수 있지만, 본 발명의 교란자(10)는, 먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 대응하는 협폭형 날개판(11)과 확폭형 날개판(12)으로 이루어질 수 있다.

즉, 상기 협폭형 날개판(11)은, 소정 구간에서 공기의 흐름이 빨라지는 현상(acceleration)이 일어나도록 공기의 흐름을 모아 안내할 수 있게 공기의 흐름을 기준으로 소정각도로 경사진 것이고, 상기 확폭형 날개판(12)은 이웃하는 소정 구간에서는 공기의 흐름이 느려지는 현상(decelerration)이 일어나도록 공기의 흐름을 흩트려서 안내할 수 있게 공기의 흐름을 기준으로 소정각도로 경사진 것이다.

이러한 상기 확폭형 날개판(12)은 그 자체로 협폭형 날개판(11)의 역할을 겸할 수 있도록 상기 날개판(11)(12)들이 소정 간격으로 번갈아 가며 서로 엇갈린 각도로 배치되는 것이다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 협폭형 날개판(11)으로 진입하는 공기는 동일한 유량에서 지나갈 수 있는 협폭형 날개판(11)의 공기 배출시 좌우 폭이 좁아지기 때문에 상대적으로 속도가 빨라지고, 상기 확폭형 날개판(12)으로 진입하는 공기는 확폭형 날개판(12)의 공기 배출시 좌우 폭이 넓어지기 때문에 상대적으로 속도가 느려진다.

따라서, 이러한 폭 방향의 공기 속도의 차이는 후류에서 발생하는 웨이크(와류)의 2차원적 유동을 약화시켜서 결과적으로 후부의 압력을 상승시키는 동시에 항력을 줄일 수 있는 것이다.

한편, 도시하진 않았지만, 상기 확폭형 날개판(12)과 협폭형 날개판(11)의 각도가 유체의 흐름(또는 운송체의 속도)에 따라 변화될 수 있도록 상기 날개판(11)(12)에 각도조절 액츄에이터가 설치되거나, 상기 확폭형 날개판(12)과 협폭형 날개판(11)의 각도가 조절되도록 각도조절장치가 설치되어 상기 날개판(11)(12)들의 각도를 운송체의 속도에 따라 최적으로 조정하는 것도 가능하다.

여기서, 상기 액츄에이터나 각도조절장치들은 비행기의 날개각도조절장치나 고무 등 탄성튜브 내부에 날개의 회전축을 억지물림식의 뻑뻑하게 맞추어 날개의 각도를 조절하고 조절된 날개의 각도가 유지될 수 있는 각종 각도조절장치 등에 의해 이미 공지되어 널리 상용화된 기술로서, 해당 분야에 종사하는 당업자에 있어서수정 및 변경이 용이한 기술이므로 더욱 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 교란자(10)는, 넓은 쪽이 유체의 흐름에 대항하는 방향으로 설치되고, 유체의 흐름과 수직을 이루어 세워지도록 돌출되며, 그 높이(h; height)는 대략 유체 흐름의 경계층 두께와 유사하며, 그 넓이(w; width)는 대략 5mm 내지 30mm 정도인 간단한 형태의 돌출판(13)이 적용될 수 있다.

따라서, 도 2의 유체흐름을 나타내는 화살표와 같이, 작은 유동으로 작은 공기회전을 발생시켜서 뭉툭한 물체(1)의 후류에 교란을 발생시킨다. 이러한 교란 작용 역시 웨이크의 2차원성을 약하게 만들고 압력을 회복하는 역할을 하여 물체의 항력을 감소시킨다.

즉, 상술된 본 발명의 상기 교란자(10)들은 상기 교란자(10)와 교란자(10) 간의 간격이 실험실에서 도 2에서 제시한 형태의 모형(도 3 및 도 4의 운송체 모형)으로 실제 풍동 실험한 결과, 도 5 내지 도 7에서 알 수 있듯이 레이놀즈수 20,000이나 40,000이나 60,000에서 모두 교란자를 장착하였을 경우(width가 15인 중심부 수치), 교란자를 달지 않았을 경우(width가 0 또는 30인 최외곽 수치)보다 최대 15% 가량의 압력 회복 효과가 있었으며 이것은 대략 항력으로 환산하면 7~8% 의 효과를 가져오는 수치인 것이다.

여기서, 상기 풍동 실험시 조건은, 풍동 속도가 5, 10, 20 m/s이고, 난류 강도가 1% 이내이며, 실험체 앞부분에 트립을 설치하여 유동조건이 난류이고, 실험체의 두께가 3 cm, 폭이 58 cm이며, 실험체의 앞부분이 장반경 12 cm, 단반경 1.5 cm의 타원형이고, 풍동의 테스트 섹션이 60 cm × 60 cm로 구성되며, blockage effect가 5%이다.

또한, 도 5 내지 도 7에서 다양한 높이(height)의 운송체를 실험해 본 결과, 거의 대부분의 레이놀즈수(Re)에서 상기 교란자와 교란자의 간격은, 대략 물체의 높이(height)에 3배 내지 6배인 것이 가장 적당한 것을 알 수 있다.

그러므로, 본 발명의 교란자는 운송체의 구조를 변화시킬 필요 없이 단지 별도로 제작된 교란자를 운송체의 후면에 소정 간격으로 부착하거나 고정시키는 것만으로도 별도의 에너지 입력이 없이 후류를 교란하여 압력을 복원함으로 항력을 크게 감소시킬 수 있는 것이다.

즉, 이러한 본 발명의 항력 감소를 위한 후류 교란장치를 이용한 후류 교란 방법을 정리하면, 유체의 후류에서 발생하는 웨이크(wake)의 강도를 줄여서 후면 압력을 회복시키도록 물체의 후면 모서리부근에 소정 높이로 돌출되는 교란자(disruptor)를 소정 간격으로 배치하고, 상기 물체의 높이에 따라 상기 교란자의 배치 간격을 최적화하고, 유체의 흐름이 빨라지는 구간과 느려지는 구간이 상기 교란자의 배치 간격에 따라 번갈아가며 반복되도록 상기 교란자의 형상 및 규격이 결정될 수 있는 것이다.

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

예컨대, 본 발명의 실시예에서는 교란자를 날개판 또는 돌출판으로 예시하였으나, 후류를 교란시킬 수 있는 모든 종류의 소정 간격으로 배치되는 돌기가 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 항력 감소를 위한 후류 교란장치 및 후류 교란 방법은, 후면이 뭉툭한 운송체에서 발생하는 항력을 크게 감소시켜서 운송체의 연료비 절감을 가능하게 하고, 대폭적인 운송체 구조 변화가 필요 없이 단지 부착하는 것만으로도 별도의 에너지 입력이 없이 항력을 크게 감소시킴으로써 에너지 효율을 극대화할 수 있게 하는 효과를 갖는 것이다.

Claims (8)

1. 후면이 뭉툭한 물체(예를 들어 트럭 같은 운송체)가 유체의 흐름에 의해 받게 되는 항력(유체 흐름에 대한 저항력)의 감소를 위한 후류 교란장치에 있어서,

   유체의 물체 후면에서 발생하는 후류의 웨이크(wake)의 강도를 줄여서 후면 압력을 회복시키도록 물체의 후면 모서리부근에 소정 높이로 돌출되는 교란자(disruptor)를 소정 간격으로 다수개 배치하는 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 교란자는, 넓은 쪽이 유체의 흐름에 대항하는 방향으로 설치되고, 유체의 흐름과 수직을 이루어 세워지도록 돌출되며, 그 높이(h; height)는 대략 유체 흐름의 경계층 두께와 유사하며, 그 넓이(w; width)는 대략 5mm 내지 30mm 정도인 돌출판인 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 교란자는, 소정 구간에서 공기의 흐름이 빨라지는 현상(acceleration)이 일어나고, 이웃하는 소정 구간에서는 공기의 흐름이 느려지는 현상(decelerration)이 일어나도록 공기의 흐름이 빨라지는 구간에서, 공기의 흐름을 모아 안내하도록 공기의 흐름을 기준으로 소정각도로 경사진 협폭형 날개판; 및

   공기의 흐름이 느려지는 구간에서, 공기의 흐름을 흩트려서 안내하도록 공기의 흐름을 기준으로 소정각도로 경사진 확폭형 날개판;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 확폭형 날개판은 그 자체로 협폭형 날개판의 역할을 겸할 수 있도록 상기 날개판들이 소정 간격으로 번갈아 가며 서로 엇갈린 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 확폭형 날개판과 협폭형 날개판의 각도가 유체의 흐름(또는 운송체의속도)에 따라 변화될 수 있도록 상기 날개판에 각도조절 액츄에이터가 설치되거나 상기 확폭형 날개판과 협폭형 날개판의 각도가 조절되도록 각도조절장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 교란자와 교란자간의 간격은 대략 물체의 높이에 3배 내지 6배인 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란장치.
7. 후면이 뭉툭한 물체가 유체의 흐름에 의해 받게 되는 항력(유체 흐름에 대한 저항력)의 감소를 위한 후류 교란방법에 있어서,

   유체의 후류에서 발생하는 웨이크(wake)의 강도를 줄여서 후면 압력을 회복시키도록 물체의 후면 모서리부근에 소정 높이로 돌출되는 교란자(disruptor)를 소정 간격으로 배치하는 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란 방법.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 물체의 높이에 따라 상기 교란자의 배치 간격을 최적화하고, 유체의 흐름이 빨라지는 구간과 느려지는 구간이 상기 교란자의 배치 간격에 따라 번갈아가며 반복되도록 상기 교란자의 형상 및 규격이 결정되는 것을 특징으로 하는 항력 감소를 위한 후류 교란 방법.