피부 마찰 드래그

피부 마찰 항력은 공기역학 항력의 한 종류로, 유체 속에서 움직이는 물체에 가해지는 저항력입니다.피부 마찰 항력은 유체의 점도에 의해 발생하며 유체가 물체 표면에서 이동함에 따라 층 항력에서 난류 항력으로 발전합니다.피부 마찰 항력은 일반적으로 관성력과 점성력 사이의 비율인 레이놀즈 수로 표현된다.

총 항력은 피부 마찰 항력 성분과 압력 항력 성분으로 분해할 수 있으며, 압력 항력은 리프트에 의한 ^[1]항력을 포함한 다른 모든 항력 소스를 포함한다.이 개념화에서 리프트 유도 항력은 공기역학적 반력의 수평 구성요소의 일부인 인위적인 추상화이다.또는 총 항력을 기생 항력 성분과 리프트 유도 항력 성분으로 분해할 수 있다.여기서 기생 항력은 리프트 유도 항력을 제외한 모든 항력의 성분이다.이 개념화에서 피부 마찰 항력은 기생 항력의 구성요소이다.

피부 마찰 항력에 대한 흐름과 효과

유체 층이 서로 평행선을 따라 부드럽게 이동할 때 몸 위로 층층이 흐릅니다.자연계에서는 이런 흐름은 드물다.유체가 물체 위를 흐를 때, 유체는 물체의 표면에 마찰력을 가하여 물체의 전진 움직임을 방해합니다. 그 결과를 피부 마찰 항력이라고 합니다.피부 마찰 항력은 종종 흐름에서 물체에 기생하는 항력의 주요 구성요소입니다.

몸 위의 흐름은 층으로 시작될 수 있습니다.유체가 유체 내에서 표면 위로 흐르면 추가적인 유체 입자가 느려져 경계층의 두께가 커집니다.흐름 방향을 따라 어느 지점에서 흐름이 불안정해지고 난류가 됩니다.난류는 소용돌이의 형성에 의해 명백해지는 변동적이고 불규칙한 흐름 패턴을 가지고 있다.난류층이 커지는 동안 층층 두께는 감소합니다.그 결과 층층이 얇아지고 층류에 비해 유체가 물체 위로 흐를 때 마찰력의 크기가 감소합니다.

피부 마찰 계수

정의.

피부 마찰 계수는 다음과 ^[2]같이 정의됩니다.

$c_{f}=syslogfrac {w}{\frac {1}{2}}\rho _{\infty }v_{\infty }{2}}$

여기서:

$c_{f}$ f $c_{f}$ {\ $displaystyle c_{f}}$ 는 $c_{f}$ 피부마찰계수입니다.
$ρ({displaystyle$ }{ $rho_{\infty}})$ 은 ${\rho _{\infty }}$ (체표면에서) 멀리 떨어진 자유 흐름의 밀도입니다.
${v_{\infty }}$ { $displaystyle$ { v $_$ { \ $infty }$ } is ${v_{\infty }}$ 、프리스트림 내 유체의 속도 크기입니다.
$§$ $w\displaystyle_{w}$ 는 ${\tau _{w}}$ 표면에 가해지는 피부 전단 ${\tau _{w}}$ 입니다.
${{\frac {1}{2}}\rho _{\infty }v_{\infty }^{2}\equiv q_{\infty }}$ 2 ${{\frac {1}{2}}\rho _{\infty }v_{\infty }^{2}\equiv q_{\infty }}$ v ${{\frac {1}{2}}\rho _{\infty }v_{\infty }^{2}\equiv q_{\infty }}$ 2 ${{\frac {1}{2}}\rho _{\infty }v_{\infty }^{2}\equiv q_{\infty }}$ q ${{\frac {1}{2}}\rho _{\infty }v_{\infty }^{2}\equiv q_{\infty }}$ { $displaystyle {\frac {1}{2}\rho$ _ {\ $infty }v_{\infty$ }^{ $2}\equiv q_{\infty$ }}는 ${{\frac {1}{2}}\rho _{\infty }v_{\infty }^{2}\equiv q_{\infty }}$ 프리 스트림의 동적 압력입니다.

피부 마찰 계수는 자유 흐름의 동적 압력에 의해 비차원화된 무차원 피부 전단 응력입니다.피부 마찰 계수는 자유 유량의 영향을 받는 표면의 모든 지점에서 정의됩니다.위치에 따라 달라집니다.공기역학의 기본적 사실은 ( $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ ) w )는 $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ a $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ r $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ < ( ( $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ ) $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ ) $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ l $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ n $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ { $displaystyle$ ({\ $tau$ _ {w $}})_{laminar}<(\tau$ _ ${w})_{turbuic$ ^[3]이다 $({\tau _{w}})_{laminar}<({\tau _{w}})_{turbulent}$ 이는 동일한 유입에 대해 층상 피부 마찰력이 난류 피부 마찰력보다 작다는 것을 의미합니다.

피부마찰계수는 $레이놀즈수$ $R$ e \ $displaystyle$ Re의 강함수이며, $R$ e \ $displaystyle$ $c_{f}$ 는 $c_{f}$ $c_{f}$ 하기 때문에 R e \ $displaystyle$ Re의 $Re$ 강함수이다.

층류

블라시우스 용액

$c_{f}=black {0.664}{\displayrt {mathrm {Re}_{x}}}}}$

여기서:

$Re_{x}={\frac {\rho vx}{\mu }}$ $Re_{x}={\frac {\rho vx}{\mu }}$ x $Re_{x}={\frac {\rho vx}{\mu }}$ $Re_{x}={\frac {\rho vx}{\mu }}$ $Re_{x}={\frac {\rho vx}{\mu }}$ $Re_{x}={\frac {\rho vx}{\mu }}$ μ { $displaystyle Re$ _ { x } $= fr$ frac { $rho$ vx }{\ $mu }($ 레이놀즈 수).
x $(\displaystyle$ x $)$ 는 $x$ 경계층이 형성되기 시작하는 기준점으로부터의 거리입니다.

위의 관계는 경계층과 얇은 ^[4]경계층 전체에 걸쳐 일정한 압력을 가정하는 Blasius 경계층에서 파생되었습니다.위의 관계를 통해 레이놀즈 수( $Re_{x}$ e x \ $displaystyle$ Re_ ${x$ 가 증가할수록 피부마찰계수가 감소함을 알 수 있다.

이행 흐름

CPM(Computational Preston Tube Method)

Nitsche가 ^[5]제안한 CPM은 아래의 방정식을 과도 경계층의 속도 프로파일에 적합시킴으로써 과도 경계층의 피부 전단 응력을 추정한다. $Karman$ 상수 $)$ 과 $(\$ 피부 전단 응력)은 피팅 공정에서 수치적으로 결정된다.

u^{+}=\int _{0}^{Y^{+}{\frac {2(1+K_{3}y^{+}}}{1+[1+4(K_{1}y^{+})^2}(1+K_{3}y^{+}(1-exp(-y^{+}{\sqrt {1+K_{3}y^2}}}})/{K}{+}^{2}]^{0.5}},dy^{+}

여기서:

$u^{+}=syslogfrac {u_{\display}},~u_{\display}=syslogrt {\frac}_{\rho}}},~y^{+}=syslogfrac {u_{\d}}{\nu}}}}}}}$
$\displaystyle$ y는 $y$ 벽으로부터의 거리입니다.
$\displaystyle$ u는 $u$ $y$ 된 y $\displaystyle$ y에서의 흐름 속도입니다.
$K_{1}$ 1 $(\$ 은 $K_{1}$ 과도경계층의 난류경계층의 값인 0.41보다 낮은 카르만 상수이다.
$K_{2}$ 2 $(\$ 는 $K_{2}$ 밴 드라이스트 상수로, 과도 경계층과 난류 경계층 모두에서 26으로 설정됩니다.
$K_{3}$ 3 $({$ 은 $K_{3}$ 압력 파라미터로, p ${{displaystyle$ p $}$ 가 $p$ $x$ 이고 x $\displaystyle$ x의 경계에 따라 좌표화된 $경우$ ${\frac {\nu }{\rho }}{u_{\tau }}^{3}{\frac {dp}{dx}}$ ${\frac {\nu }{\rho }}{u_{\tau }}^{3}{\frac {dp}{dx}}$ $3$ ${\frac {\nu }{\rho }}{u_{\tau }}^{3}{\frac {dp}{dx}}$ ${\frac {\nu }{\rho }}{u_{\tau }}^{3}{\frac {dp}{dx}}$ x ${\$ { $u_{\tau }}$ {\ $frac {dp}$ { $dp$ } {\dp} {\dp $}$ 과 ${\frac {\nu }{\rho }}{u_{\tau }}^{3}{\frac {dp}{dx}}$ $x$ 같습니다.

난류

프란틀의 7분의 1제곱 법칙

c_{f}=black {0.027}{Re_{x}^{1/7}}\

프란틀의 7분의 1제곱 ^[6]법칙에서 도출된 위의 방정식은 낮은 레이놀즈 수 난류 ^[7]경계층의 드래그 계수에 대한 합리적인 근사치를 제공했다.층류보다 난류류의 피부마찰계수는 레이놀즈수가 증가할수록 천천히 낮아진다.

피부 마찰 드래그

본 발명은 신체 표면에 피부 전단 응력을 적산함으로써 총 피부 마찰 드래그력을 산출할 수 있다.

F=\int \int _{surface}c_{f}{\frac {rho v^{2}}{2}}dA

피부 마찰과 열전달의 관계

공학적 관점에서 피부마찰 계산은 물체에 가해지는 총마찰저항뿐만 아니라 물체 ^[8]표면에서의 대류열전달속도 추정에도 유용하다.이 관계는 레이놀즈 유추 개념에서 잘 개발되었습니다. 레이놀즈 유추는 두 가지 차원 없는 매개변수인 피부 마찰 계수(Cf)와 대류 열 전달의 크기를 나타내는 누셀트 수(Nu)를 연결합니다.예를 들어 터빈 블레이드는 고온 가스에 가해져 열로 인해 손상될 수 있으므로 설계 과정에서 열 전달 분석이 필요합니다.여기서 엔지니어들은 터빈 날개 표면의 피부 마찰을 계산하여 표면을 통해 발생하는 열 전달을 예측합니다.

피부 마찰 드래그 효과

1974년 NASA의 연구에 따르면 아음속 항공기의 경우 피부 마찰 항력이 전체 항력의 약 45%를 차지하는 가장 큰 항력 요소이다.초음속과 극초음속 항공기의 경우 각각 35%^[9]와 25%다.

1992년 NATO 연구에 따르면 일반적인 민간 수송 항공기의 경우 피부 마찰 항력이 전체 항력의 거의 48%를 차지했으며, 유도 항력이 37%^[10]^[11]로 뒤를 이었다.

피부 마찰 항력 감소

피부 마찰 항력을 줄이기 위한 두 가지 주요 기술이 있습니다. 바로 경계층 전환을 지연시키는 것과 난류 경계층의 ^[12]난류 구조를 수정하는 것입니다.

난류 경계층에서 난류 구조를 수정하는 한 가지 방법은 리블렛을 ^[13]^[14]사용하는 것이다.리블렛은 흐름 방향에 따라 정렬된 항공기 표면에 ^[15]있는 작은 홈입니다.Airbus A320에 대한 테스트 결과 리블렛은 거의 ^[13]2%의 드래그 감소를 유발했습니다.또 다른 방법은 Large Edy Break-up(^[13]LEBU) 장치를 사용하는 것입니다.그러나 LEBU 장치에 대한 일부 연구에 따르면 ^[16]드래그가 약간 증가했습니다.

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레퍼런스

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목차

피부 마찰 항력에 대한 흐름과 효과

피부 마찰 계수

정의.

층류

블라시우스 용액

이행 흐름

CPM(Computational Preston Tube Method)

난류

프란틀의 7분의 1제곱 법칙

피부 마찰 드래그

피부 마찰과 열전달의 관계

피부 마찰 드래그 효과

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