경계층 거동이 프로펠러 성능에 미치는 영향

· 10 분 소요

3D illustration of how the flow is expected to behave between the smooth propeller and the modified propeller

작성자: Adam Kahraman

경계층은 프로펠러의 공기역학적 성능에 중요한 요소이지만, 이해하기 어려운 개념일 수 있습니다.

공기 흐름이 프로펠러 블레이드를 고속으로 지나갈 때, 표면에 직접 접촉하는 공기 분자는 상대 속도가 0입니다. 블레이드 표면 근처의 얇은 영역에서 공기 속도는 주변 기류의 속도에 가까워질 때까지 점차 증가합니다. 이 영역을 경계층이라고 합니다.

이 얇은 영역은 항공기의 표면 마찰, 흐름 박리, 양력, 추력 및 전력 소비에 영향을 미칩니다. 공기역학적 성능을 향상시키기 위해 항공기 설계자는 때때로 날개에 딤플이나 와류 발생기와 같은 표면 구조를 추가합니다. 그러나 한 설계에서 성능을 향상시키는 구조가 다른 설계에서는 성능을 저하시킬 수도 있습니다.

그렇다면 공기역학적 표면 구조가 항공기 성능에 도움이 되는지 방해가 되는지를 결정하는 것은 무엇일까요? 그리고 이를 통해 더 나은 UAV를 어떻게 설계할 수 있을까요?

쿨나 공과대학 연구진은 이 질문을 탐구하기 위해 변형된 에어포일로 실험을 수행했습니다. 그들은 NACA-4415 에어포일을 사용하고 표면에 육각형 딤플을 추가하여 흐름 박리를 지연시킬 수 있는지 확인했습니다. 그리고 그 결과가 바로 그것이었습니다. 딤플은 흐름 박리를 지연시키고 더 높은 받음각에서 공기역학적 성능을 향상시켰습니다 (출처).

육각형 딤플이 있는 제작 모델 에어포일

그림 1: Mustak 등의 육각형 딤플이 있는 제작 모델 에어포일 (출처)

이 연구에서 영감을 받아, 우리는 유사한 표면 개조를 다른 양력 발생 장치인 프로펠러에 적용해 보고자 했습니다. 개조된 표면이 프로펠러 성능을 향상시킬 수 있을까요?

우리의 실험에서는 동일한 기본 기하학 구조를 가진 두 개의 3D 프린팅 프로펠러를 테스트했습니다. 하나는 매끄러운 표면이었고, 다른 하나는 블레이드의 흡입면(윗면) 앞전(leading edge)을 따라 돌출된 구조가 있었습니다. 흐름이 묘사된 이 프로펠러들의 3D 렌더링이 아래 그림 2에 나와 있습니다. 프로펠러는 박리가 발생할 수 있는 조건에서 성능을 조사하기 위해 비교적 높은 블레이드 피치로 설계되었습니다.

매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러 사이에서 흐름이 어떻게 예상되는지 보여주는 3D 일러스트레이션

그림 2: 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러 사이에서 흐름이 어떻게 예상되는지 보여주는 3D 일러스트레이션 (출처: Tyto Robotics)

테스트된 가설은 돌출된 구조가 경계층에 에너지를 공급하고 박리를 지연시켜 개조된 프로펠러가 더 효율적으로 작동하도록 돕는다는 것이었습니다. 놀라운 결과는 7절에서 설명합니다.

하지만 먼저, 이러한 설계가 왜 유익할 수 있는지 이해하려면 경계층이 어떻게 형성되는지 살펴봐야 합니다.

목차

  1. 서론
  2. 경계층이란 무엇인가?
  3. 경계층과 양력 발생
  4. 경계층 박리를 지연시키는 방법
  5. 항공기 날개는 왜 딤플로 덮여 있지 않은가?
  6. 프로펠러에서 경계층 부착을 향상시키는 방법
  7. 테스트 및 실험 결과
  8. 결론

경계층이란 무엇인가?

경계층은 표면 근처의 얇은 공기 영역으로, 공기 흐름의 속도가 표면에 대한 상대 속도 0에서 자유류 속도까지 점차 증가합니다. 프로펠러 블레이드에서 표면에 직접 닿는 공기는 비미끄럼 조건으로 인해 상대 속도가 0입니다. 블레이드에서 멀어질수록 공기 속도는 주변 기류의 속도에 가까워질 때까지 점차 증가합니다.

레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 효과를 비교하는 무차원 수이며, 경계층의 거동에 영향을 미치는 요인 중 하나입니다. 낮은 레이놀즈 수는 일반적으로 층류를 지지하는 반면, 높은 레이놀즈 수는 난류로의 전이를 더 가능하게 합니다. 표면 거칠기, 흐름 교란, 기하학적 구조 및 기타 요인도 이 전이가 언제 발생하는지에 영향을 미칠 수 있습니다. 아래 그림은 물체 표면 근처에서 층류 경계층과 난류 경계층의 차이를 보여줍니다.

층류와 난류 흐름을 포함한 경계층 형성

그림 3: 층류와 난류 흐름을 포함한 경계층 형성 (출처) 

경계층과 양력 발생

에어포일은 표면 주위에 압력 차이를 만들고 에어포일을 지날 때 공기 흐름을 편향시켜 양력을 발생시킵니다. 경계층은 공기 흐름이 에어포일의 모양을 얼마나 밀접하게 따르는지에 영향을 미치기 때문에 이 과정의 일부입니다. 경계층이 부착된 상태로 유지되는 한, 공기 흐름은 표면을 계속 따라갈 수 있으며 양력을 생성하는 압력 분포를 지지할 수 있습니다.

경계층이 더 이상 부착된 상태를 유지할 수 없으면 공기 흐름은 표면에서 박리됩니다. 이는 에어포일 주위의 압력 분포를 변화시켜 양력을 제한하고 실속으로 이어질 수 있습니다. 

에어포일에서 경계층이 박리되는 위치는 받음각, 에어포일의 모양, 레이놀즈 수 및 표면 거칠기를 포함한 여러 요인의 영향을 받습니다. 받음각은 에어포일의 시위선과 다가오는 공기 흐름의 방향 사이의 각도입니다. 더 높은 받음각은 더 강한 역압력 구배를 만들어 공기 흐름이 표면에 부착된 상태를 유지하기 더 어렵게 만듭니다. 이는 경계층이 박리되게 할 수 있으며, 박리가 더 광범위해짐에 따라 결국 실속으로 이어질 수 있습니다. 아래 그림 4는 낮은 받음각에서의 에어포일과 실속을 겪는 동일한 에어포일의 높은 받음각에서의 예를 보여줍니다.

다양한 받음각에서 경계층 박리의 차이를 보여주기 위해 풍동 내 에어포일을 보여주는 일러스트레이션

그림 4: 왼쪽 에어포일은 낮은 받음각으로, 공기 흐름이 표면에 더 오래 부착된 상태를 유지할 수 있습니다. 오른쪽 에어포일은 더 높은 받음각으로, 공기 흐름이 박리되고 에어포일이 실속하게 합니다 (출처)

경계층 박리를 지연시키는 방법

골프공이 왜 딤플로 덮여 있는지 궁금해한 적이 있나요? 물체 주위의 층류가 표면 마찰 항력을 덜 발생시키는 것은 사실이지만, 표면 근처에서 운동량도 적고 골프공과 같은 곡선형 물체에서 일찍 박리될 수도 있습니다. 이러한 조기 박리는 큰 후류를 만들고 압력 항력을 증가시킬 수 있습니다. 골프공의 경우, 공 뒤의 저압 후류가 공을 뒤로 잡아당기는 힘을 만들어 속도를 늦출 때 압력 항력이 발생합니다.

여기서 딤플이 등장합니다. 골프공의 딤플은 작은 교란을 만들어 경계층이 난류로 전이되게 합니다. 난류 혼합은 더 높은 운동량을 가진 공기를 표면에 더 가깝게 가져와 경계층이 더 오래 부착된 상태를 유지하도록 돕습니다. 이는 박리를 지연시키고 후류의 크기를 줄이며, 궁극적으로 공의 전체 항력을 줄입니다. 아래 그림 5는 딤플이 있는 골프공과 없는 골프공에서 발생하는 후류의 차이를 보여줍니다.

딤플이 있는 골프공과 없는 골프공의 공기역학

그림 5: 딤플이 있는 골프공과 없는 골프공의 공기역학 (출처)

그러나 이 설계에는 절충안이 있습니다. 난류 경계층은 더 많은 표면 마찰 항력을 만들지만, 더 작은 후류는 압력 항력을 크게 줄입니다. 그 결과 전체 항력이 낮아져 공이 매끄러운 표면일 때보다 더 멀리 날아갈 수 있습니다.

그렇다면 전체 공기역학적 효율을 실제로 높일 수 있는데도 날개는 왜 딤플로 덮여 있지 않은가요?

항공기 날개는 왜 딤플로 덮여 있지 않은가?

골프공과 달리 항공기 날개는 유선형이며 작동 범위의 대부분에서 공기 흐름을 부착된 상태로 유지하면서 양력을 발생시키도록 특별히 설계되었습니다. 따라서 에어포일에 더 많은 교란을 추가하는 것은 실제로 득보다 실이 많을 수 있습니다. 그러나 항상 그런 것은 아닙니다.

와류 발생기는 항공기 날개에 부착된 작은 날개로, 흐름 내에서 작은 와류를 생성하여 경계층을 의도적으로 교란합니다. 아래 그림 6은 와류 발생기가 있는 소형 항공기의 날개를 보여줍니다. 이 와류는 더 높은 운동량을 가진 공기를 표면 근처의 느리게 움직이는 공기에 혼합하여 경계층이 박리에 저항하도록 돕습니다. 와류 발생기에 의해 발생하는 난류 때문에 추가적인 항력도 발생합니다.

양력, 실속 거동 또는 제어 효과의 향상이 항력 손실을 상쇄할 때 와류 발생기는 가치가 있을 수 있습니다.

소형 항공기 날개의 마이크로 와류 발생기

그림 6: 소형 항공기 날개의 마이크로 와류 발생기 (출처)

와류 발생기가 성능을 향상시킬 수 있는 일부 비행 시나리오에는 다음이 포함됩니다:

  • 저속
  • 높은 받음각
  • 이륙
  • 접근
  • 고속 기동

프로펠러에서 경계층 부착을 향상시키는 방법

그렇지 않은 매끄러운 공기역학적 표면에 의도적으로 작은 교란을 추가하면 공기 흐름이 부착된 상태를 유지하도록 도와 성능을 향상시킬 수 있습니다. 이 아이디어는 쿨나 공과대학 연구진에 의해 이전에 탐구되었으며, 그들은 높은 받음각에서 흐름 박리를 지연시키기 위해 에어포일에 육각형 딤플을 추가했습니다 (출처).

그들의 결과는 흐름을 의도적으로 교란하는 것이 공기역학적 성능을 향상시킬 수 있음을 보여주었습니다. 일반 표면의 경우 저자들은 받음각 12도에서 흐름 박리가 발생했다고 보고했습니다. 육각형 딤플의 경우 박리는 16도까지 지연되었습니다. 아래 그림 7은 연구 논문에서 테스트된 에어포일의 표면 압력 분포를 보여줍니다. 점선 수직선은 각 에어포일의 동일한 위치에서의 압력 계수를 나타냅니다. 그래프는 육각형 딤플 에어포일이 일반 에어포일에 비해 에어포일의 흡입면에서 더 음의 압력 계수를 가짐을 보여줍니다.

받음각 12도 및 16도에서 일반 에어포일과 육각형 딤플 에어포일의 표면 압력 분포

그림 7: 받음각 12도 및 16도에서 일반 에어포일과 육각형 딤플 에어포일의 표면 압력 분포 (출처)

이 논문의 발견에서 영감을 받아, 우리는 드론 프로펠러를 사용하여 유사한 개념을 탐구해 보고자 했습니다. 와류 발생기가 성능 향상에 기여할 수 있을까요?

이를 테스트하기 위해 우리는 동일한 블레이드 기하학을 가진 두 개의 4인치 프로펠러를 3D 프린팅했습니다. 유일한 차이점은 한 프로펠러는 앞전에 작은 와류 발생기가 있었고, 다른 하나는 표면 개조가 없었다는 것입니다. 두 프로펠러 모두 동일한 조건에서 테스트되어 성능을 직접 비교할 수 있었습니다. 아래 그림 8은 3D 프린팅된 프로펠러의 이미지입니다.

우리의 가설은 개조된 프로펠러가 전체 효율로 측정될 때 개조되지 않은 프로펠러보다 더 나은 성능을 보일 것이라는 것이었습니다. 그 이유는 작은 교란이 경계층을 더 길게 유지하고 지속하며 후류를 줄일 수 있다면, 이것이 향상된 성능에 해당할 것이라는 논리였습니다.

매끄러운 표면과 와류 발생기가 있는 3D 프린팅된 프로펠러

그림 8: 매끄러운 표면과 와류 발생기가 있는 당사의 3D 프린팅된 프로펠러 (출처: Tyto Robotics)

테스트 및 실험 결과

프로펠러는 Series 1585 추력 스탠드에 장착되어 2x2 WindShaper 앞에서 무풍, 층류 및 난류의 세 가지 조건에서 성능을 테스트했습니다. 데이터는 Flight Stand Software를 사용하여 기록되었습니다.

소프트웨어의 자동 제어 기능을 사용하여 1,000 μs에서 1,750 μs까지 총 7개의 스로틀 단계로 구성된 스로틀 단계 테스트를 생성했습니다. 가장 높은 단계는 약 12,000 RPM의 최대 속도에 해당했습니다. 이는 4인치 프로펠러를 테스트하기 위한 실질적인 작동 범위를 제공했습니다.

WindShaper는 테스트 내내 일정한 설정으로 유지되었으며, 풍속은 층류와 난류 흐름 조건 모두에서 평균 8 m/s(28.8 km/h)였습니다. 추력, 토크, 회전 속도 및 전체 추력 효율은 테스트 내내 기록되었습니다. 데이터는 분석을 위해 .CSV로 내보내졌습니다.

경계층 전이와 박리는 직접 측정되지 않았으므로, 아래의 일부 설명은 가설로 남아 있습니다.

추력

먼저, 매끄러운 프로펠러는 테스트된 대부분의 RPM 범위에서 더 많은 추력을 생산했습니다. 약 11,700 RPM에서 개조된 프로펠러는 세 가지 조건 모두에서 매끄러운 프로펠러보다 5.8%에서 7.4% 적은 추력을 생산했습니다.

다양한 흐름 조건에서 서로 다른 프로펠러에서 측정된 추력 표

그림 9는 각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러가 생산한 추력을 보여줍니다. 무풍 조건에서 두 프로펠러는 낮은 회전 속도에서 유사한 추력을 생산했지만, RPM이 증가함에 따라 차이가 커졌으며 매끄러운 프로펠러가 더 높은 속도에서 더 많은 추력을 생산했습니다. 층류 흐름에서도 유사한 경향이 관찰되었지만, 두 프로펠러 사이의 차이는 전체적으로 더 작게 유지되었습니다. 난류 흐름에서는 테스트된 대부분의 RPM 범위에서 차이가 더 뚜렷했으며, 매끄러운 프로펠러가 개조된 프로펠러보다 일관되게 더 많은 추력을 생산했습니다.

무풍과 층류 흐름 결과 사이의 유사성은 두 프로펠러가 겪은 비교적 안정적인 조건과 관련이 있을 수 있습니다. 두 경우 모두 블레이드에 가해지는 공기역학적 부하는 비교적 일관되게 유지되는 반면, 난류 흐름은 다가오는 공기 속도와 방향에 변동을 도입합니다.

각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러가 생산한 추력

그림 9: 각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러가 생산한 추력 (출처: Tyto Robotics)

토크

그림 10은 각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러에 필요한 토크를 보여줍니다. 무풍 조건에서 두 프로펠러에 필요한 토크는 테스트된 대부분의 RPM 범위에서 거의 동일했습니다.

층류 흐름에서 개조된 프로펠러는 회전 속도가 증가함에 따라 점점 더 많은 토크를 필요로 했으며, 두 프로펠러 사이에서 가장 큰 차이를 생산했습니다. 11,700 RPM에서 개조된 프로펠러는 무풍에서 매끄러운 프로펠러보다 3.7% 더 많은 토크, 층류 흐름에서 11.2% 더 많은 토크, 난류 흐름에서 7.9% 더 많은 토크를 필요로 했습니다.

개조된 프로펠러가 더 큰 토크를 필요로 하는 이유는 와류 발생기에 의해 생성된 증가된 항력 때문일 수 있으며, 동일한 회전 속도를 유지하기 위해 더 많은 토크가 필요합니다.

각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러에 필요한 토크

그림 10: 각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러에 필요한 토크(출처: Tyto Robotics)

효율

다양한 풍속 조건에서 서로 다른 프로펠러의 효율값 표

그림 11은 각 풍속 조건에서 시스템에 공급된 전력 1와트당 발생한 추력을 그램-힘으로 정의한 두 프로펠러의 전체 효율을 보여준다. 높은 속도에서의 차이를 더 쉽게 확인할 수 있도록 2,000 RPM 미만의 측정값은 표시하지 않았다. 이 측정값들은 데이터 세트에 그대로 남아 있다.

어떤 풍속 조건에서도 두 프로펠러의 효율은 대부분의 작동 범위에서 비교적 비슷하게 유지되었다. 약 11,700 RPM에서 개조된 프로펠러는 매끄러운 프로펠러보다 효율이 9.2% 낮았다. 가장 낮은 회전 속도에서 나타난 더 큰 차이는 신중하게 해석해야 하는데, 이 영역에서는 추력과 전력이 모두 0에 가깝기 때문에 계산된 효율이 작은 측정 편차에도 매우 민감하게 반응하기 때문이다.

층류 조건에서도 유사한 경향이 관찰되었다. 프로펠러가 정상 작동 범위에 도달한 후에는 효율 곡선이 비교적 비슷하게 유지되었으나, 개조된 프로펠러는 회전 속도가 높아질수록 효율이 낮아졌다. 약 11,700 RPM에서 개조된 프로펠러는 매끄러운 프로펠러보다 효율이 11.1% 낮았다.

난류 조건에서는 테스트 범위 전반에 걸쳐 두 프로펠러 간의 차이가 더 뚜렷했다. 개조된 프로펠러는 특히 낮은 회전 속도에서 더 낮은 효율을 보였으나, RPM이 증가함에 따라 그 차이는 줄어들었다. 약 11,700 RPM에서 개조된 프로펠러는 매끄러운 프로펠러보다 효율이 14.9% 낮았으며, 이는 해당 회전 속도에서 두 프로펠러 간의 가장 큰 효율 차이를 나타낸다.

각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러의 전체 효율(그래프에는 2,000 RPM 미만의 측정값 표시 안 함)

그림 11: 각 풍속 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러의 전체 효율(그래프에는 2,000 RPM 미만의 측정값 표시 안 함)(출처: Tyto Robotics)

추력과 전력이 모두 0에 가깝기 때문에 가장 낮은 RPM 지점에서 효율값은 급격하게 변한다. 난류 조건에서 매끄러운 프로펠러와 개조된 프로펠러의 곡선은 약 4,500 RPM에서 수렴하기 시작한다. 약 6,500~12,000 RPM 범위에서는 모든 유동 조건에서 두 프로펠러의 효율이 비교적 안정적으로 유지되었으며, 개조되지 않은 프로펠러가 전체 범위에서 약간 더 높은 효율을 보였다. 10,000 RPM 이상에서는 두 프로펠러의 효율이 모두 약간씩 감소하기 시작한다.

효율 결과는 토크 추세가 전체 성능 추세와 직접적으로 일치하지 않는 이유를 설명하는 데 도움이 된다. 토크가 높을수록 일반적으로 모터는 동일한 RPM을 유지하기 위해 더 열심히 작동하고 더 많은 전력을 사용해야 하지만, 효율은 또한 그 전력으로 얼마나 유용한 추력이 생성되는지에도 달려 있다. 층류 조건에서 개조된 프로펠러는 더 많은 토크를 필요로 했지만, 추력은 매끄러운 프로펠러와 비교적 비슷하게 유지되어 전체 효율은 유사했다. 난류 조건에서는 토크 차이가 더 작았지만, 개조된 프로펠러는 더 많은 추력을 잃었으며, 이는 사용되는 전력에 비해 유용한 출력을 덜 생산했음을 의미한다. 이것이 층류 조건이 아닌 난류 조건에서 가장 큰 효율 차이가 나타난 이유이다.

개조된 프로펠러가 테스트된 어떤 조건에서도 매끄러운 프로펠러보다 뛰어난 성능을 보이지 않았기 때문에 결과는 원래 가설을 뒷받침하지 못했다. 약 11,700 RPM에서 개조된 프로펠러는 풍속 조건에 따라 3.7~11.2% 더 많은 토크를 필요로 하는 동시에 5.8~7.4% 적은 추력을 생산했다. 무풍 조건에서는 9.2%, 층류에서는 11.1%, 난류에서는 14.9% 더 낮았다.

개조된 프로펠러의 성능이 왜 더 나빴을까?

결과에 따르면 와류 발생기의 효과는 유입 풍속 조건에 크게 좌우되었다. 개조된 프로펠러는 일반적으로 더 적은 추력을 생산했으며, 필요 토크의 증가는 층류 조건에서 가장 두드러졌다. 이러한 차이에도 불구하고 두 프로펠러는 유의미한 작동 범위 전반에 걸쳐 무풍 및 층류 조건에서 거의 동일한 전체 효율을 보였으나, 난류 조건에서는 개조된 프로펠러의 효율이 더 뚜렷하게 감소했다. 이는 여러 요인으로 설명될 수 있다.

와류 발생기의 부적절한 위치

논문에서 관찰된 성능 향상은 육각형 딤플이 경계층 분리를 지연시키고 더 높은 받음각에서 후류 형성을 줄인 덕분으로 여겨졌다. 우리의 경우, 와류 발생기의 위치 때문에 개조된 프로펠러가 동일한 효과를 얻지 못했을 수 있다. 앞전(leading edge)에 너무 가깝게 뭉툭한 구조가 도입되면 흐름을 방해하고 후류 난류를 생성하여, 성능 향상보다는 조기 분리와 추가 항력을 유발할 수 있다.

와류 발생기가 너무 컸다

비행기 날개를 보면 와류 발생기는 날개의 전체 크기에 비해 상대적으로 작다. 일반적으로 높이는 1인치의 일부이고 길이는 몇 인치에 불과하다. 예를 들어, 보잉 767은 각 날개에 7개의 와류 발생기를 사용하며, 높이는 19.05mm로 6.03m의 공력 시위(aerodynamic chord)의 약 0.316%에 해당한다(출처). 개조된 4인치 프로펠러의 와류 발생기는 높이가 1mm로, 날개 시위의 약 5%에 해당했다. 작았음에도 불구하고, 이러한 구조물은 날개에 비해 상대적으로 컸으며 공기 흐름을 방해하고 항력을 증가시키며 효율을 감소시켰을 수 있다.

프로펠러 길이에 따른 서로 다른 풍속

풍벽 앞에 고정된 에어포일은 에어포일 길이 전반에 걸쳐 거의 일정한 공기 흐름을 경험한다. 프로펠러는 허브를 중심으로 회전하기 때문에, 허브에 더 가까운 프로펠러 날개에 비해 끝단은 더 높은 풍속으로 이동한다. 또 다른 요인은 프로펠러 뿌리에서 끝단까지 국부적인 날개 각도가 변한다는 점이다. 와류 발생기의 크기와 위치는 이러한 변화를 고려해야 한다. 그러나 우리의 개조된 프로펠러 설계에서는 와류 발생기가 앞전(leading edge)을 따라 균일하게 배치되었으며, 높이, 길이 또는 앞전과의 거리에 변화가 없었다.

원심력과 코리올리 효과

원심력은 회전하는 날개를 따라 공기를 바깥쪽 끝단으로 밀어낼 수 있다. 코리올리 효과는 회전하는 날개에서 보았을 때 이동하는 공기가 옆으로 편향되는 현상이다. 이는 날개가 회전하는 동안 공기가 그에 대해 상대적으로 이동하기 때문에 발생한다. 어떤 경우에는 이 효과가 경계층 부착을 개선하고 와류 발생기 없이도 실속을 방지하는 데 도움이 될 수 있다. 그러나 와류 발생기가 추가되면 코리올리 효과로 이미 발생한 부착을 방해하고 흐름을 개선하는 대신 교란할 수 있다.

다음 테스트를 개선하는 방법

이 테스트의 두 번째 반복에서는 경계층 분리가 어디에서 발생하는지 결정하여 개조된 프로펠러의 설계를 개선할 수 있다. 분리 지점을 알게 되면 다음과 같은 변경을 할 수 있다:

  • 분리 지점 바로 상류에 와류 발생기를 배치한다.
  • 흐름이 이미 부착된 상태를 유지하는 곳에서 추가 항력이 발생하는 것을 피하기 위해, 분리가 발생하는 날개 영역에만 와류 발생기를 제한한다.

다른 설계 변경 사항도 독립적으로 테스트할 수 있다:

  • 다양한 받음각에서 테스트
  • 역회전 쌍을 갖춘 서로 다른 베인 각도
  • 더 큰 프로펠러로 테스트
  • 돌출된 베인 대신 함몰된 딤플 사용

와류 발생기의 높이는 프로펠러 길이와 시위의 상대적인 크기에 의해 결정되어야 한다. 3D 프린팅으로 제작되므로 3D 프린팅 결함과 편차를 고려하여 여러 샘플도 테스트해야 한다.

결론

경계층은 공기가 프로펠러 및 에어포일과 같은 표면과 어떻게 상호작용하는지 설명하는 중요한 현상이다. 이 얇은 층이 표면과 상호작용하는 방식을 바꾸면 성능을 향상시킬 수 있지만, 각 표면 구조물은 그 자체로 항력을 발생시킨다. 따라서 공기 흐름을 방해하여 추가 항력을 만들지 않을 만큼만 성능을 향상시키도록 표면을 적절히 변경하는 섬세한 균형 맞추기가 필요하다.

본 연구에서는 와류 발생기가 프로펠러 성능을 향상시킬 수 있는지 확인하고자 했다. 개조된 프로펠러는 일반적으로 비슷한 RPM에서 더 적은 추력을 생산하고 더 많은 토크를 필요로 했다. 이러한 결과는 추가된 구조물로 인한 공력 손실과 일치하지만, 테스트에서는 경계층 분리에 미치는 영향을 직접 측정하지 않았다.

이 테스트는 프로펠러에서 경계층 거동을 수정하는 데 따르는 어려움을 보여주는 동시에, 신중하게 설계된 표면 구조물이 공력 성능을 향상시킬 수 있는 잠재력도 강조한다.