점성이란 말은 일반적으로 물풀과 같이 끈적한 액체에 대해서 많이 사용된다. 물풀의 점성이 크면 더 끈적하다고 보면 되고 작으면 덜 끈적하다고 보면 된다.

지금까지 살아오면서 공기로부터 점성을 느껴본 적은 없다. 그렇지만, 공기는 물리적 특성인 압력, 밀도, 온도 등의 상태에 따라서 공력특성이 달라지게 되고, 점성 또한 우리가 느끼지는 못해도 엄연히 존재한다.

항공기가 날아가고 있다면, 때에 따라서 변화하는 공력특성으로 인해 영향을 받게 되는데, 크게 두 가지 요소인 점성과 압축성과 같은 개념을 통해 나타낼 수 있다.

오늘은 공기의 점성(Viscosity)에 대해서 알아보도록 하겠다.

공기의 점성과 경계층

공기는 입자들이 이리저리 떠돌아다니는데, 고체와 접촉하게 되면 점성력으로 인해 고체의 표면에 달라붙게 된다. 고체표면에서 가까이에 있을수록 점성력에 영향을 받아 속도가 느려지고 멀어질수록 점성력의 영향에서 벗어나 공기 입자는 본연의 속도를 되 찾게 된다.

이렇게 점성의 공기입자에 영향을 끼쳐서 속도가 변하게 되는 얇은 층을 경계층(Boundary layer)이라고 부른다.

경계층 내에서도 고체에 얼마나 가까운가에 따라 공기가 흐르는 속도의 차이가 있는 층들이 생기는데, 이를 흐름층이라고 부른다. 흐름층 사이에는 흐름속도의 변화율과 유체 점성의 크기에 비례하는 전달력(Shear stress)라는 힘이 생기고, 고체 표면에서도 흐름층의 진행 방향과 같은 방향을 가지는 표면마찰항력(Skin friction drag)라는 힘이 발생한다.

경계층 내부의 흐름은 모양에 따라서 두 가지로 나눌 수 있는데, 그것들은 다음과 같다.

1) 층류(Laminar flow)

2) 난류(Turbulent flow)

층류는 거시적 혼합이 없는 인접 공기층들이 하나의 선과 같은 모양으로 흐른다고 보면 되고, 난류의 경우 매우 불규칙한 운동을 하기 때문에, 여러 방향으로 확산되거나 헝클어진 선과 같은 모양으로 흐른다고 볼 수 있다.

처음 고체와 만나서 흐르는 공기 입자는 층류로 흐르다가 뒤로 갈수록 난류로 변하게 된다. 층류에서 난류로 변하는 부분을 천이(Transition)이라고 한다.

천이영역은 점성력, 공기의 흐름 속도와 에어포일(Airfoil : 날개단면, Wing section) 형태 등의 요소들에 의해서 달라진다.

점성으로 인한 항력과 레이놀즈 수

앞서 표면마찰항력에 대해 잠시 소개하고 넘어갔는데, 항공기에서 공기의 점성으로 인해 표면마찰항력이 발상하게 된다면, 힘의 크기가 작은 층류경계층과 큰 난류경계층으로 나뉜다.

이렇게 발생한 표면마찰항력의 경우 압력항력(Pressure drag)와는 다르게 형상항력(Form drag)과간섭항력(Interference drag)와 함께 유해항력(Parasite drag)으로 분류된다.

그러나 실질적으로 항공기에서 압력항력이 항력 증가에 기여하는 것에 비하면 표면마찰항력은 별다른 영향력이 없다.

정육면체와 같이 전면적(Frontal area)을 가지는 물체, 구형 물체, 유선형 물체가 각각 공기 흐름의 중간에 위치할 경우를 생각해보면 좀 더 쉽게 이해할 수 있다.

정육면체와 구형의 물체는 흐름 분리로 인해서 받게되는 항력의 100%와 50%를 압력항력의 형태로 받게 되고, 유선형 물체의 경우 5%만이 압력항력이고 95%는 표면마찰항력이다.

항공기는 유선형으로 만들어지기 때문에 압력항력의 영향을 비교적 덜 받는 편이지만, 항상 압력항력이 증가하는 것을 경계해야 한다.

위와 같이 알아본 점성이 유체의 흐름에 미치는 영향을 표현할 때 레이놀즈 수(Reynold’s Number)라는 무차원 계수가 사용된다. 이 때의 식은 다음과 같다.

ρ는 유체의 밀도이며, μ는 점성계수인데, 기체의 경우 온도가 높아질 수록 점성계수가 커진다. V는 유체의 속도, L은 특성길이를 나타내고 에어포일을 기준으로 말하자면 앞전(날개의 맨 앞 부분)에서 뒷전(날개의 맨 뒷 부분)까지의 길이인 시위길이다.

항공기의 속도와 고도는 변화 폭이 크기 때문에 레이놀즈 수도 그에 따라 달라지는데, 크기가 작은 흐름은 층류이고 큰 값에 도달하면 난류를 나타낸다. 공기 흐름의 분리 외에도 경계층의 두께와 형태, 표면마찰항력도 유동현상이 달라진다.

흐름 분리와 실속의 예방을 위한 경계층 제어

고체의 표면에 형성된 경계층이 과도하게 증가하는 받음각으로 인해 버티지 못하고 떨어지는 현상이 나타나는데, 이것을 흐름분리(Flow separation)라고 하고, 현상이 일어나는 지점을 분리점(Separation point)이라 부른다.

받음각이 증가하면 에어포일을 따라 흐르는 공기가 표면마찰항력을 받게 되는데, 뒤로 갈수록 공기흐름을 방해하는 압력이 커지게 된다.

더불어서 공기 또한 점점 느리게 변하다가 흐름이 떨어져 나가 불규칙한 소용돌이의 흐름을 만들어내고, 이것이 압력의 증가로 항력도 덩달아 증가하게 되는 주요 원인 중 하나인 후류(Wake)다.

후류는 받음각이 커지면서 날개의 뒷부분에서 앞으로 이동하면서 날개 표면에 더욱 많은 영향을 미치게 된다.

날개의 앞부분에서는 양력계수를 증가시키지만, 후류의 영향력 아래에 놓이는 뒷 부분이 점점 넓어짐에 따라서 양력계수가 감소하면서 항력계수가 급격히 증가하는데, 이 때 항공기는 실속((Stall)에 들어가게 된다.

실속이 일어나면 매우 위험하기 때문에, 실속 경보 장치를 통해 조종사가 상황을 빨리 알 수 있게 만들어주어야 하고, 여러가지 계층 제어(Boundary layer control)법을 사용해 실속을 최대한 방지해야 한다. 그 방법들로는 다음과 같은 것들이 있다.

1) 경계층 판(Boundary layer fence / Stall fence)

2) 와류 발생기(Vortex generator)

3) 톱날 형태 날개(Saw-tooth / Dog-tooth)

위와 같이 날개의 형태를 변형시키거나 별도의 부품을 부착하는 등의 방법을 사용하는데, 저 외의 다른 방법들도 존재한다.