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- 원래 풍동은 초기 항공 연구에 주로 사용
- 전체 비행기의 새로운 날개 모양, 모델은 테스트 트랙에서 공기역학적 특성을 테스트 함
- 현대식 자동차 풍동, 시뮬레이션에 회전하는 바퀴를 포함 일종의 러닝머신, 롤러 갖춰

모델 개발의 산실, 풍동 실험 風洞實驗, wind tunnel test

예를 들어, 자동차에 부딪치는 기류와 바람은 매우 복잡한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 공기 역학에 대해 혁신적인 모양을 검사해야 하는 경우 가장 현대적인 컴퓨터 시뮬레이션도 한계에 도달한다. 통제되고 현실적인 조건에서 힘을 분석하기 위해 모델은 풍동에서 테스트된다. 

▲ University of Washington의 아음속 풍동인 Kirsten Wind Tunnel에서 모델 준비 중. Photo by Joe Mabel

풍동은 항상 두 가지 방식으로 건설되었다.
"에펠 터털"와 "괴팅겐 터널"로 구분된다. 전자는 20세기 초 프랑스 엔지니어이자 에펠탑 건축가인 구스타프 에펠이 발명했다. 특히 개방적이고 비교적 단순한 구조가 특징이다.

에펠: 간단하지만 제어하기 어렵다
에펠 구조로 공기는 환경에서 흡입되고 일종의 터널을 통과한 다음 끝에서 다시 불어난다. 풍동은 깔때기 모양의 흡입구, 검사 대상이 있는 측정 섹션, 공기를 다시 압축 해제하는 거꾸로 된 깔때기, 공기를 가속하는 팬의 네 가지 구성요소로만 구성된다. 팬은 덕트의 맨 끝에 있으며 빨대를 빨아들이는 것처럼 덕트를 통해 공기를 끌어당긴다.

이러한 유형 시스템의 주요 문제는 테스트 환경의 일관성 부족이다.
흡입된 공기는 항상 온도나 습도와 같은 외부의 기상 조건에 따라 달라진다. 개방형 디자인으로 인해 제어하기 어렵고 균일하고 일정한 수준으로 가져온다.

▲ Gustave Eiffel (1888), 독일에서는 현재의 족보 지식에 의해 17세기 말 아이펠(Eifel)에 살았던 레오 하인리히 뵈닉하우젠이 에펠의 독일 선조라고 한다.

바람을 위한 회전 목마

얼마 후 에펠의 연구를 더욱 발전시킨 독일 엔지니어 루트비히 프란틀(Ludwig Prandtl)도 이 문제를 보았다. 그 결과, 이른바 괴팅겐(Göttingen) 공법은 더욱 복잡한 구조를 갖게 되었다. 그것은 공기가 순환하는 거의 닫힌 사각형 채널을 나타낸다. 이것은 시스템을 외부 영향으로부터 더욱 독립적으로 만든다.

여기에서도 공기는 팬에 의해 가속되지만 편향 블레이드의 도움으로 두 모서리로 이동된다. 공기가 노즐에 의해 압축되어 테스트 트랙으로 향하기 전에 난류로부터 공기를 제거하는 정류기와 난류 스크린이 있다. 끝에는 공기를 다시 느리게 하고 압력을 줄이는 디퓨저가 있다. 그런 다음 바람은 두 개의 추가 모서리를 통해 송풍기로 다시 보내진다.

▲ Ludwig Prandtl (1937), 루드비히 프란틀(1875년 2월 4일-1953년 8월 15일)은 독일 엔지니어였다. 그는 유체 역학의 기본 이해에 상당한 기여를 했으며  경계층 이론을 개발했다.

▲ Ludwig Prandtl 1904, 유체 흐름 과정의 시각화를 위한 수로, 소위 프란틀 채널이라고 한다. 1904년 하노버의 물 테스트 운하 앞에서. 1.50미터 길이의 욕조에 있는 물은 외부 바퀴로 손으로 순환되었다. 편향 날개와 체는 충분히 소용돌이가 없는 흐름을 보장했다. 괴팅엔 대학교에 있는 프란틀의 유품.

처음에는 비행기 전용으로 설계되었다.

원래 풍동은 초기 항공 연구에 주로 사용됐다.
결과적으로 그들은 오늘날 우리가 알고 있는 항공기 개발에 중요한 역할을 했다. 전체 비행기의 새로운 날개 모양이나 모델은 테스트 트랙에서 공기역학적 특성에 대해 테스트할 수 있다.

당시의 채널이 지상에 있는 물체를 위해 설계되지 않았기 때문에 그곳에서 자동차도 검사한다는 아이디어는 처음에는 어려움에 부딪혔다. 어떤 경우에는 원형 노즐 앞의 이중 바닥판에 차량을 배치하려는 시도가 있었지만 이로 인해 심각한 측정 부정확성이 발생했다. 움직이는 물체도 검사할 수 있었던 것은 특수한 풍동의 건설을 통해서만 가능했다.

▲ MD-11 모델이 있는 NASA 풍동 source:http://windtunnels.arc.nasa.gov/pics/12FT/12ft4.html https://www.flickr.com/photos/nasacommons/9413283717/

특별조사를 위한 특수공법

날씨에 따라 자동차는 다양한 환경적 영향에 노출된다. 이것들은 너무 다면적이어서 단일 풍동이 시뮬레이션에서 한계에 도달한다. 그래서 서로 다른 영향의 스펙트럼을 함께 다룰 수 있는 두 가지 유형의 풍동이 개발되었다.

한 그룹은 10~30제곱미터의 노즐 단면을 갖고 기본 공기역학적 특성을 검사하는 공기음향 테스트 트랙으로 구성된다. 이름에서 알 수 있듯이 차량 내부와 외부의 음향 영향도 신중하게 검토된다. 여기에는 예를 들어 사이드미러와 같은 구성요소에서 생성되는 소음이 포함된다.

비, 폭풍 또는 눈이 올 수 있다.

두 번째 그룹은 3~12제곱미터의 더 작은 직경을 갖지만 날씨 영향을 더 잘 시뮬레이션할 수 있는 기후 및 열 풍동으로 구성된다. 다양한 수준의 햇빛, 비, 눈 또는 흙이 자동차의 운전 행동에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 테스트할 수 있다.

대부분의 현대식 자동차 풍동에는 시뮬레이션에 회전하는 바퀴를 포함하는 일종의 러닝머신이나 롤러가 있다. 이러한 모든 측정값은 아직 실제 조건을 나타낼 수는 없지만 비교적 신뢰할 수 있는 테스트 결과를 제공한다.  (계속)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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