와류와 난류 오해와 진실

많은 사람들이 와류와 난류를 혼용하여 사용하는 경우가 많이 보입니다.

가끔 층류 얘기도 나오는데 층류가 무조건 좋아서 층류를 만들기 위해 리어윙이나 카나드 등을 다는거다 라는 이야기도 보이구요.

우선 층류, 난류, 와류는 다른 개념입니다.

담배연기를 보면 똑바로 올라가다가 갑자기 연기가 마구 흐트러지는 것을 볼 수 있습니다. 여기서 똑바로 올라가는 흐름을 층류 (laminar flow)라고 하고 흐트러져서 흐르는 흐름을 난류(turbulent flow) 라고 합니다. 터뷸런스. 이게 난류인거죠.

  

와류는 쉽게 말해서 회오리를 말합니다. 빙글빙글 돌아가는 공기의 흐름이죠. 볼텍스(vortex)가 바로 와류입니다. 토네이도, 용오름 이런 것들이 모두 와류이고 담배연기로 만드는 도너츠도 와류입니다.

오해 1. 자동차의 카나드는 와류를 없애기 위해 사용한다.

날개는 보통 와류를 만들어냅니다. 날개의 윗면과 아랫면의 압력 차이 때문에 날개의 끝단에서 압력이 높은 면의 공기가 낮은 쪽으로 넘어가면서 발생하게 되죠.

이는 카나드 역시 마찬가지입니다. 카나드는 와류를 없애지 않습니다.

오해 2. 와류는 나쁘기 때문에 없애야 한다.

와류는 다운포스를 만들어내기 위해 어쩔 수 없이 따라오는 부산물이라고 생각할 수도 있지만 잘 컨드롤하면 유용하게 사용할 수 있습니다. 위에 보이는 날개 끝에 생긴 와류의 색깔은 압력을 나타냅니다. 빨간색이 압력이 상대적으로 높은 곳이고 파란색이 압력이 낮은 곳이죠.

와류를 보면 회오리의 중심부는 파란색으로 압력이 낮고 중심부에서 멀어질 수록 압력이 점점 높아지는 것을 볼 수 있습니다. 낮은 압력은 아주 유용하게 쓰일 수 있죠.

와류의 또 다른 역할은 공기를 잘 섞어주는 것입니다. 이는 다음 오해와 연관이 됩니다.

오해 3. 층류가 훨씬 좋기 때문에 층류를 만들기 위해 에어로 장치들을 추가하는 것이다.

층류는 공기 저항이 작기 때문에 이점이 있습니다. 그러나 층류를 유지하기 어렵기도 하고 많은 상황에서 층류보다 난류 혹은 와류가 유리할 때가 있습니다. 많이들 알고 있는 대표적인 예가 골프공입니다.

참고로 골프공의 딤플들이 만들어내는 것은 와류가 아닌 난류입니다. 난류와 와류는 둘 다 공기의 박리(separation)를 늦추는 역할을 할 수 있습니다.

그림에서 보는 것과 같이 강제로 흐름을 난류로 바꾸어주면 공기의 박리가 늦어지면서 압력차이에 의한 저항이 줄어들게 됩니다. 층류보다 난류가 표면 마찰에 의한 저항이 더 크지만 골프공의 경우 표면 마찰에 의한 저항보다 압력차이에 의한 저항이 훨씬 크기 때문에 흐름을 난류로 억지로 바꾸어주는 것이 전체 저항을 줄이는 역할을 하게 되는 것이죠.

앞에 말씀드린 것처럼 와류 역시 난류처럼 공기층의 박리를 늦춰줄 수 있습니다. 대표적인 예가 자동차 루프쪽에 다는 볼텍스 제너레이터 (와류 생성기?)입니다.

요즘 차들은 뒷유리 쪽이 완만한 곡선으로 박리가 많지 않게 디자인하는 경우가 많지만 예전 차들은 뒷 유리의 각도가 공기가 붙어가기에는 무리가 있었습니다. 이런 경우에 공기의 박리로 인한 압력차이가 생기고 저항이 커지게 되는데 볼텍스를 활용하면 공기를 유리에 조금 더 붙일 수 있게 됩니다.

와류는 이렇게 저항을 줄이기 위해서 사용되기도 하지만 박리를 늦추어 최대 다운포스를 늘릴 때에도 사용됩니다. 비행기에도 많이 이용되고 있죠.

와류는 그 하나만으로도 이야기 거리가 굉장히 많습니다. 카나드에서 생성되는 와류는 휠하우스 뿐만 아니라 차의 바닥과 디퓨져에도 영향을 주게 되구요. 디퓨져에 흔히 달려있는 세로로 된 핀들도 볼텍스 제너레이터의 역할을 합니다. 그리고 볼텍스 제너레이터 말고 다른 더 효율적인 방법이 있을 때도 많구요. 재미있는 볼텍스에 관한 이야기는 다른 글에서 더 자세히 이야기 해보겠습니다.