기계공학과 조연우 교수 연구팀이 공동 현상을 이용해 수중 운동체의 항력을 감소시키는 기술을 개발했다. 이번 연구는 지난 11월 10일 <저널 오브 플루이드 메카닉스(Journal of Fluid Mechanics)> 표지논문으로 게재됐다.

항력으로 물속 물체 운동 에너지 잃어

 물체가 유체 속에서 운동할 때에는 항력을 받는데, 물체를 둘러싸고 있는 유체에 따라 항력의 크기가 달라진다. 예를 들어, 물은 점성이 공기보다 높아 물속에서 운동하는 물체는 공기 중에서 운동하는 물체보다 더 큰 항력을 받는다. 따라서 배나 미사일 같이 물속에서 움직이는 물체들은 공기 중에서 운동할 때보다 더 많은 운동 에너지를 잃으며, 속도 감소량 및 연료 소모량이 증가한다. 만약 물속에서 움직이는 물체를 공기로 감싼다면, 공기에서 운동하는 것과 비슷한 효과를 받아 항력의 크기가 작아져 에너지 손실을 줄여 연료 소모를 줄이고 빠른 속도로 주행할 수 있다.

압축공기 분사해 공동 현상 발생시켜

 공동 현상이란 물속에서 물체가 운동할 때, 물체 주위에 기체로 이루어진 작은 공간이 생기는 현상으로 보통 물체의 빠른 운동으로 인해 일어난다. 예를 들어, 프로펠러 같은 물체가 빠르게 회전하면 베르누이의 정리*로 인해 물체 근처의 물의 압력이 낮아지게 된다. 낮아진 압력으로 인해 끓는점이 낮아진 물이 기화하여 프로펠러 주변에 수증기로 이루어진 작은 공간이 생성되어 공동 현상이 발생한다. 이 때, 속도가 충분히 빠르지 않아도 압축공기를 이용하면 공동 현상을 만들어 낼 수 있다. 압축공기를 분사하기 위한 캐비테이터(Cavitator)를 장착해 운동을 시키면 뿜어진 공기로 인해 물체 주변에 공기로 이루어진 층이 생겨 공동 현상이 발생한다.

실제 외부와 유사한 실험 환경 구축

 기존 연구에서는 공동 현상을 보기 위해 주로 회류 수조를 이용했다. 회류 수조는 중앙이 뚫린 육면체 모양의 수조에서 물이 순환하는 구조로, 물체를 고정시켜 물체에서 일어나는 현상을 관측한다. 하지만 회류 수조는 실제 외부 환경과 차이가 있기 때문에 연구팀은 새로운 장치를 고안했다. 실험 장치는 20m 길이의 수조에 물을 채우고 물체가 움직일 레일을 달아 만들어졌다. 물체에는 캐비테이터가 장착되어 있어, 물체가 움직일 때 압축공기를 분사한다. 연구팀은 이 물체를 레일에 장착하고 물체 위 레일에 닿는 부분에 모터를 달아 움직이면서 물체 주위에 나타나는 현상을 관찰했다.

공동 현상으로 항력 4분의 1로 줄여

 연구팀은 물속 물체를 공기로 감싸, 공동 현상을 발생시켜 항력을 줄이는 것이 가능함을 실험적으로 증명했다. 항력 계수**는 물체에 작용하는 항력에 비례하며, 항력 계수를 통해 항력의 크기를 알 수 있다. 실험을 모터의 일률을 통해 항력 계수를 측정한 결과, 공동 현상이 발생할 때 항력 계수가 0.4에서 0.1로 줄어듦을 확인할 수 있었으며, 공동 현상에 의해 물체에 작용하는 항력의 크기가 4분의 1 수준이 된다는 사실을 밝혀냈다. 

 조 교수는 “이번 연구의 상용화를 통해 물체가 적은 에너지로 더 빠른 속도로 움직이거나 같은 에너지로 더 멀리 이동할 수 있다”며, “초고속 수중 운동체 개발 및 공기 윤활을 이용한 초고속 선박의 개발에 응용될 수 있을 것이다”고 전했다.

베르누이의 정리*

유체 흐름이 빠른 곳의 압력은 흐름이 느린 곳의 압력보다 작아진다는 이론. 

항력 계수**

유체환경에서 개체의 저항 혹은 항력을 정량화하는데 사용되는 수.