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항공 우주학 개론

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Academic year: 2022

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(1)

항공 우주학 개론

제2장 항공우주영역

헬리콥터UAM 조종학과

유태정 교수

극동대학교

(2)

강의 목차

항공 단위계

01

대기의 성질

02

대기의 법칙과 흐름

03

(3)

항공 단위계

(4)

항공 단위계

자동차 계기 판넬

자동차 계기 판넬 항공기 계기 판넬 항공기 계기 판넬

• 거리 : km, m

• 속도 : Km/h

• 연료량 : 리터

• 거리 : NM, SM, km, m

• 고도 : feet

• 속도 : knot, mph

• 연료량 : Gallon, pound

(5)

항공 단위계

거 리 거 리

• 1미터(m)

- 적도에서 극점까지 거리의 1000만분의 1을 기준(1790, 프) - 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 진행한 거리

• 1미터(m)

- 적도에서 극점까지 거리의 1000만분의 1을 기준(1790, 프)

- 진공에서 빛이 1/299,792,458초 동안 진행한 거리 본초 자오선 20,000km

• 지구 전체 자오선의 길이 : 40,000km

• 지구 전체 자오선의 길이 : 40,000km

(6)

항공 단위계

거 리 거 리

• 1NM(Nautical Mile) : 해리

- 국제단위계에는 속하지 않지만 함께 사용

- 해양 및 항공 분야에서 사용되며, 국제법과 조약, 특히 영해(12해리)를 정하는 데 자주 사용

- 국제수로국(1929)에서 정의한 길이

1NM = 위도 1분(1/60 도) = 1,852m / 약 1.8km - 속도단위 : Knot(kn, kt, kts)

• 1NM(Nautical Mile) : 해리

- 국제단위계에는 속하지 않지만 함께 사용

- 해양 및 항공 분야에서 사용되며, 국제법과 조약, 특히 영해(12해리)를 정하는 데 자주 사용

- 국제수로국(1929)에서 정의한 길이

1NM = 위도 1분(1/60 도) = 1,852m / 약 1.8km - 속도단위 : Knot(kn, kt, kts)

• 적도 ~ 극점 : 90˚

- 90˚ x 60NM = 5400NM x 1,852m = 10,000,800m

• 적도 ~ 극점 : 90˚

- 90˚ x 60NM = 5400NM x 1,852m = 10,000,800m

(7)

항공 단위계

거 리 거 리

• 1NM(Nautical Mile) : 해리

- 국제단위계에는 속하지 않지만 함께 사용

- 해양 및 항공 분야에서 사용되며, 국제법과 조약, 특히 영해(12해리)를 정하는 데 자주 사용

- 국제수로국(1929)에서 정의한 길이

1NM = 위도 1분(1/60 도) = 1,852m / 약 1.8km - 속도단위 : Knot(kn, kt, kts)

• 1NM(Nautical Mile) : 해리

- 국제단위계에는 속하지 않지만 함께 사용

- 해양 및 항공 분야에서 사용되며, 국제법과 조약, 특히 영해(12해리)를 정하는 데 자주 사용

- 국제수로국(1929)에서 정의한 길이

1NM = 위도 1분(1/60 도) = 1,852m / 약 1.8km - 속도단위 : Knot(kn, kt, kts)

• 적도 ~ 극점 : 90˚

- 90˚ x 60NM = 5400NM x 1,852m = 10,000,800m

• 적도 ~ 극점 : 90˚

- 90˚ x 60NM = 5400NM x 1,852m = 10,000,800m

(8)

항공 단위계

거 리 거 리

• 1SM(Statute Mile) : 법정마일, 육상마일

- 영국과 미국의 거리 단위로 고대 로마시대 병사들의 1천 걸음을 기준 - 국제적으로 사용되고 있는 마일 : 1,760yard 기준

* yard : 0.9144m

- 미터법 환산 시 1,609.344m / 약 1.6km

- 항공기 기상 시정(visibility)에 사용(m 또는 sm) - 속력 : MPH

• 1SM(Statute Mile) : 법정마일, 육상마일

- 영국과 미국의 거리 단위로 고대 로마시대 병사들의 1천 걸음을 기준 - 국제적으로 사용되고 있는 마일 : 1,760yard 기준

* yard : 0.9144m

- 미터법 환산 시 1,609.344m / 약 1.6km

- 항공기 기상 시정(visibility)에 사용(m 또는 sm)

- 속력 : MPH

활주로 가시거리 측정 활주로 가시거리 측정

(9)

항공 단위계

고 도 고 도

• 피트, Feet(ft)

- 영국 및 미국에서 사용하는 길이 단위 - 1ft = 0.3048cm = 12inch = 1/3 yard - 1NM = 6076.12ft (약 6,000ft)

- 1SM = 5,280ft (약 5,300ft) - 1KM = 3280.84ft(약 3,300ft)

• 피트, Feet(ft)

- 영국 및 미국에서 사용하는 길이 단위 - 1ft = 0.3048cm = 12inch = 1/3 yard - 1NM = 6076.12ft (약 6,000ft)

- 1SM = 5,280ft (약 5,300ft) - 1KM = 3280.84ft(약 3,300ft)

1,000ft

10,000ft

100ft

Kollsman window

• ft → m : ft x 0.3 / 3,000ft = 900m

• m → ft = m x 3.3 / 3,000m = 9,900ft

• ft → m : ft x 0.3 / 3,000ft = 900m

• m → ft = m x 3.3 / 3,000m = 9,900ft

(10)

항공 단위계

고도계 개발 고도계 개발

• Paul Kollsman(미국, 1900)

- 독일계 미국인 발명가, 세계 최초로 항공기용 정밀 기압 고도계 개발

- 1929년 Consolidated NY-2에 최초 장착 실험 - 후속 모델에서 해당 지역 기압 수정을 위한 Kollsman

window 설치

• Paul Kollsman(미국, 1900)

- 독일계 미국인 발명가, 세계 최초로 항공기용 정밀 기압 고도계 개발

- 1929년 Consolidated NY-2에 최초 장착 실험 - 후속 모델에서 해당 지역 기압 수정을 위한 Kollsman

window 설치

1,000ft 1,000ft

(11)

항공 단위계

무게, 부피 무게, 부피

• 파운드(pound, lb)

- 영국 및 미국의 질량 단위로서 게르만어 “무게”를 뜻함 - 기호는 고대 로마 무게 단위 libra의 약자 “lb”를 사용 - 1lb ≒ 0.453kg = 16oz(ounce)

* 유럽에서는 대략 500그램을 1파운드로 사용함

• 파운드(pound, lb)

- 영국 및 미국의 질량 단위로서 게르만어 “무게”를 뜻함 - 기호는 고대 로마 무게 단위 libra의 약자 “lb”를 사용 - 1lb ≒ 0.453kg = 16oz(ounce)

* 유럽에서는 대략 500그램을 1파운드로 사용함

• 갤론(gallon, gal)

- 영국 및 미국의 부피 단위로서 최초 영국에서 와인 및 맥주 측정에 사용 - 1gal = 3.78리터(미), 4.54리터(영)

- 1gal = 8.34lbs

• 갤론(gallon, gal)

- 영국 및 미국의 부피 단위로서 최초 영국에서 와인 및 맥주 측정에 사용 - 1gal = 3.78리터(미), 4.54리터(영)

- 1gal = 8.34lbs

(12)

항공 단위계

• 거리

- 1NM = 1,852m = 6,076ft - 1SM = 1,609m = 5,280ft

• 거리

- 1NM = 1,852m = 6,076ft - 1SM = 1,609m = 5,280ft

• 고도

- 1,000ft = 304.8m - 1,000m = 3,280m

• 고도

- 1,000ft = 304.8m - 1,000m = 3,280m

• 무게

- 1000 lbs = 453kg

• 무게

- 1000 lbs = 453kg

• 부피

- 1 gallon = 3.78 리터

• 부피

- 1 gallon = 3.78 리터

(13)

대기의 성질

(14)

대기의 성분

• 대기(권) : 지구를 둘러싸고 있는 기체의 총칭

• 대기는 성분비가 일정한 균질권과 높이에 따라 성분비가 다른 비균질권으로 구성됨

• 대기는 약 1,000km까지 존재함

• 대기(권) : 지구를 둘러싸고 있는 기체의 총칭

• 대기는 성분비가 일정한 균질권과 높이에 따라 성분비가 다른 비균질권으로 구성됨

• 대기는 약 1,000km까지 존재함

• 질소와 산소 99%, 기타(이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등) 기체 1%

• 지표면에서 고도 80km까지 거의 일정한 비율로 분포

• 대기는 산소 공급, 온실 효과를 통한 지구 보온, 자외선 차단, 저위도의 에너지를 고위도로 운반, 운석으로부터 지구 보호 등

• 질소와 산소 99%, 기타(이산화탄소, 헬륨, 아르곤 등) 기체 1%

• 지표면에서 고도 80km까지 거의 일정한 비율로 분포

• 대기는 산소 공급, 온실 효과를 통한 지구 보온, 자외선 차단,

저위도의 에너지를 고위도로 운반, 운석으로부터 지구 보호 등

(15)

대기권의 구조

½ 기압 18,000ft (5,500m)

• 대기의 온도, 습도, 압력 등 대기의 상태는 수평 방향으로도 변화하나 수직방향으로 고도에 따라 심한 변화가 발생됨

• 대기의 밀도의 압력은 고도에 따라 급격하게 감소되며, 18,000ft(5,500m) 상공에서 기압은 1/2로 감소됨

• 대기의 온도, 습도, 압력 등 대기의 상태는 수평 방향으로도 변화하나 수직방향으로 고도에 따라 심한 변화가 발생됨

• 대기의 밀도의 압력은 고도에 따라 급격하게 감소되며, 18,000ft(5,500m) 상공에서 기압은 1/2로 감소됨

(16)

대기권의 구분

대 류 권 성 층 권 중 간 권

열 권 외 기 권

지구의 대기권 분류

대 류 권 대 류 권 성 층 권 성 층 권 중 간 권 중 간 권 열 권 열 권

대류권계면 대류권계면 성층권계면 성층권계면

중간권계면 중간권계면

오존농도 최고 오존농도 최고

대류 현상 대류 현상 전리층 전리층

(17)

대기권의 구분

대 류 권 성 층 권 중 간 권

열 권 외 기 권

지구의 대기권 분류

• 지구 대기의 80% 존재

• 대류 현상 발생으로 기상 변화와 구름 생성

• 여객기 운항

• 고도 변화에 따라 밀도와 압력은 급격히 감소

• 고도 1,000ft당 2℃(6.5℃/km) 온도 감소

• 지구 대기의 80% 존재

• 대류 현상 발생으로 기상 변화와 구름 생성

• 여객기 운항

• 고도 변화에 따라 밀도와 압력은 급격히 감소

• 고도 1,000ft당 2℃(6.5℃/km) 온도 감소

(18)

대기권의 구분

대 류 권 성 층 권 중 간 권

열 권 외 기 권

지구의 대기권 분류

• 고도 상승 시 기온 상승으로 안정된 대기층

• 기상 현상 없으며, 오존층 존재

• 성층권 아랫부분에 강한 서풍인 제트기류 생성

• 자외선 흡수로 상층의 온도 상승

• 지상관측 기구 및 군 정찰기(U-2) 운용

• 고도 상승 시 기온 상승으로 안정된 대기층

• 기상 현상 없으며, 오존층 존재

• 성층권 아랫부분에 강한 서풍인 제트기류 생성

• 자외선 흡수로 상층의 온도 상승

• 지상관측 기구 및 군 정찰기(U-2) 운용

성층권에 위치한 강력한바람.

편서풍대에서는 풍속이 30m/s 이상으로 나타난다.

대류권에 미치는 영향도 어마어마하다.

서쪽으로 운항할 때의 비행시간보다 동쪽으로

운항할 때의 비행시간이 짧은 이유도 제트기류 때문이다.

예를 들어 한국에서 유럽으로 갈 때는 11-12시간이 걸리지만 귀국할 때는 10시간 전후로 비행시간이 줄어든다.

반대로 한국에서 미국LA로 갈 때는 11시간 전후지만 돌아올 때는 13시간 가까이 걸린다.

(19)

대기권의 구분

대 류 권 성 층 권 중 간 권

열 권 외 기 권

지구의 대기권 분류

• 고도 상승 시 기온 감소(대기권에서 가장 낮은 기온)

• 대류 불안정, 수증기 없어 기상 현상 없음

• 유성 관측(지구의 방패), 관측 로켓 운용

• 고도 상승 시 기온 감소(대기권에서 가장 낮은 기온)

• 대류 불안정, 수증기 없어 기상 현상 없음

• 유성 관측(지구의 방패), 관측 로켓 운용

(20)

대기권의 구분

대 류 권 성 층 권 중 간 권

열 권 외 기 권

지구의 대기권 분류

• 고도가 상승할 수록 온도 증가(태양 복사열 흡수)

• 중성 입자가 이온화되는 전리층(Ionosphere) 존재

• 오로라 발생, 일부 저궤도 인공위성 운용

• 고도가 상승할 수록 온도 증가(태양 복사열 흡수)

• 중성 입자가 이온화되는 전리층(Ionosphere) 존재

• 오로라 발생, 일부 저궤도 인공위성 운용

(21)

대기권의 구분

대 류 권 성 층 권 중 간 권

열 권 외 기 권

지구의 대기권 분류

• 지구의 대기의 최상층

• 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소만 존재

• 지구의 대기 입자를 잃어버리거나 흡수

• 저/중궤도 인공위성 운용

• 지구의 대기의 최상층

• 수소와 헬륨 같은 가벼운 원소만 존재

• 지구의 대기 입자를 잃어버리거나 흡수

• 저/중궤도 인공위성 운용

(22)

표 준 대 기

• 대기 속을 비행하는 항공기의 비행 특성이나 성능은 대기의 기온, 기압, 밀도 등에 좌우 되며, 이들 상태는 시간, 장소, 고도에 따라 변화 됨

• 대기 속을 비행하는 항공기의 비행 특성이나 성능은 대기의 기온, 기압, 밀도 등에 좌우 되며, 이들 상태는 시간, 장소, 고도에 따라 변화 됨

• 국제민간항공기구(ICAO)에서는 항공기의 설계, 운용에 기준이 되는 대기상태를 정하였는데 이를 국제 표준대기(ISA, International Standard Atmosphere)라고 함

• 기온, 기압 등의 고도 분포를 실제 대기의 평균 상태와 유사하게 나타낸 협정상의 기준대기 임

• 국제민간항공기구(ICAO)에서는 항공기의 설계, 운용에 기준이 되는 대기상태를 정하였는데 이를 국제 표준대기(ISA, International Standard Atmosphere)라고 함

• 기온, 기압 등의 고도 분포를 실제 대기의 평균 상태와 유사하게 나타낸 협정상의 기준대기 임

(23)

표준 대기

• 공기는 건조공기로서 이상 기체의 상태 방정식을 고도, 장소, 시간에 관계없이 만족해야 함

P =  ·  · 

여기서, P : 임의 고도의 압력,  : 밀도,  : 공기의 기체 상수,  : 절대 온도(K)

• 공기는 건조공기로서 이상 기체의 상태 방정식을 고도, 장소, 시간에 관계없이 만족해야 함

P =  ·  · 

여기서, P : 임의 고도의 압력,  : 밀도,  : 공기의 기체 상수,  : 절대 온도(K) ICAO 국제표준대기(ISA)

ICAO 국제표준대기(ISA)

• 기압 : 대기의 압력, 지표면에 가까우면 중력의 작용을 많이 받고 멀어질수록 영향이 줄어듬 - 압력 : 단위 면적당 '수직으로' 미치는 힘, 단위는 Pa(Pascal), 1Pa = 1 N/m² - 기압 단위는 hPa(헥토 파스칼) 또는 mb(밀리바), mmHg, inHg

• 밀도 : 단위 부피당 질량을 나타내는 값, 단위는 kg/m3

• 온도 : 물질의 뜨겁고 찬 정도를 나타내는 물리량, 단위는 절대(K), 화씨(F), 섭씨(°C)

* 절대온도(K, Kelvin) = °C + 273.15 / 열역학, 색온도 등에 사용

• 기압 : 대기의 압력, 지표면에 가까우면 중력의 작용을 많이 받고 멀어질수록 영향이 줄어듬 - 압력 : 단위 면적당 '수직으로' 미치는 힘, 단위는 Pa(Pascal), 1Pa = 1 N/m² - 기압 단위는 hPa(헥토 파스칼) 또는 mb(밀리바), mmHg, inHg

• 밀도 : 단위 부피당 질량을 나타내는 값, 단위는 kg/m3

• 온도 : 물질의 뜨겁고 찬 정도를 나타내는 물리량, 단위는 절대(K), 화씨(F), 섭씨(°C)

* 절대온도(K, Kelvin) = °C + 273.15 / 열역학, 색온도 등에 사용

(24)

표준 대기

• 평균해수면상 의 기압, 밀도, 온도, 중력가속도 - 1 기압(atm)

= 760 mmHg = 29.92 inHg

= 1.01325 bar = 1,013 mb

= 101,325 Pa = 1,013 hPa

= 760 Torr

• 평균해수면상 의 기압, 밀도, 온도, 중력가속도 - 1 기압(atm)

= 760 mmHg = 29.92 inHg

= 1.01325 bar = 1,013 mb

= 101,325 Pa = 1,013 hPa

= 760 Torr

- 밀도  = 1.225 kg/m3 - 온도 T = 15°C = 288.16K - 중력가속도 g = 9.8066 m/s2 - 밀도  = 1.225 kg/m3

- 온도 T = 15°C = 288.16K - 중력가속도 g = 9.8066 m/s2

ICAO 국제표준대기(ISA)

ICAO 국제표준대기(ISA)

(25)

평균 해수면

해안선(만조면)

수심기준(기준해수면, 간조면) 바다의 깊이

높이기준(평균해수면, MSL) 산의 높이

• 평균 해수면이란 “평균적인 해수면의 높이”, 평균해수면으로부터의 고도가 해발높이 임

• 우리나라는 인천 앞바다의 평균 해수면을 측정하여 적용

• 평균 해수면이란 “평균적인 해수면의 높이”, 평균해수면으로부터의 고도가 해발높이 임

• 우리나라는 인천 앞바다의 평균 해수면을 측정하여 적용

항공기 고도

(26)

표준 대기

• 고도 11km까지는 기온이 일정한 비율(6.5℃ / km, 2 ℃/1,000ft)로 감소

• 그 이상의 고도에서는 -56.5℃로 일정한 기온을 유지한다고 가정함

• 고도 11km까지는 기온이 일정한 비율(6.5℃ / km, 2 ℃/1,000ft)로 감소

• 그 이상의 고도에서는 -56.5℃로 일정한 기온을 유지한다고 가정함

ICAO 국제표준대기(ISA)

ICAO 국제표준대기(ISA)

(27)

대기의 법칙과 성질

(28)

대기의 법칙

• 항공기가 날게 되면 항공기 주위의 정지된 상태에 있던 공기는 흐름이 있는 공기로 변화됨

• 이에 따라 주위의 공기는 온도와 압력, 그리고 밀도가 변화하는 상태 변화가 발생

• 항공기가 날게 되면 항공기 주위의 정지된 상태에 있던 공기는 흐름이 있는 공기로 변화됨

• 이에 따라 주위의 공기는 온도와 압력, 그리고 밀도가 변화하는 상태 변화가 발생

날개 단면(Airfoil, 익형)

날개 단면(Airfoil, 익형) 에어포일 주변 공기 흐름 에어포일 주변 공기 흐름

(29)

대기의 법칙

보일(Boyle)의 법칙 보일(Boyle)의 법칙

• 온도와 기체의 양이 일정한 닫힌 계 내에서 일정한 질량의 이상 기체가 가하는 절대압력은 그것이 차지하고 있는 부피에 반비례함

• 온도와 기체의 양이 일정한 닫힌 계 내에서 일정한 질량의 이상 기체가 가하는 절대압력은 그것이 차지하고 있는 부피에 반비례함

압력과 부피의 관계 압력과 부피의 관계

밀도 증가

(30)

대기의 법칙

샤를(Charles)의 법칙 샤를(Charles)의 법칙

• 압력이 일정할 때 기체의 온도가 높아지면 기체의 부피가 증가하고, 온도가 낮아지면 부피가 감소

• 압력이 일정할 때 기체의 온도가 높아지면 기체의 부피가 증가하고, 온도가 낮아지면 부피가 감소

온도과 부피의 관계

온도과 부피의 관계

밀도 감소

(31)

대기의 법칙

• 공기의 밀도는 항공기 성능에 상당한 영향을 미치며, 밀도가 낮아짐에 따라

- 항공기 엔진 출력 감소 - 항공기 추력 감소

- 항공기 양력 감소 현상 발생

• 공기의 밀도는 항공기 성능에 상당한 영향을 미치며, 밀도가 낮아짐에 따라

- 항공기 엔진 출력 감소 - 항공기 추력 감소

- 항공기 양력 감소 현상 발생

공기 밀도의 영향

공기 밀도의 영향

• 밀도와 압력

- 온도가 일정할 때 압력이 올라가면 밀도 증가함 - 압력과 밀도는 비례함

• 밀도와 압력

- 온도가 일정할 때 압력이 올라가면 밀도 증가함 - 압력과 밀도는 비례함

• 밀도와 온도

- 압력이 일정할 때 온도가 상승하면 공기가 팽창하여 일정한 공간의 기체 밀도는 감소함

- 온도와 밀도는 반비례함

• 밀도와 온도

- 압력이 일정할 때 온도가 상승하면 공기가 팽창하여 일정한 공간의 기체 밀도는 감소함

- 온도와 밀도는 반비례함

• 밀도와 습도

- 습한 공기는 건조한 공기에 비하여 단위 체적당 공기의 양이 적어지게 됨

- 습도와 밀도는 반비례함

• 밀도와 습도

- 습한 공기는 건조한 공기에 비하여 단위 체적당 공기의 양이 적어지게 됨

- 습도와 밀도는 반비례함

• 밀도와 고도

- 고도 상승에 따라 압력의 감소로 밀도는 감소함 - 밀도와 고도는 반비례

• 밀도와 고도

- 고도 상승에 따라 압력의 감소로 밀도는 감소함 - 밀도와 고도는 반비례

(32)

대기의 성질

• 유체는 크게 액체와 기체로 분류하며, 물이나 기름과 같은 액체는 큰 압력을 받아도 밀도가 변화가 미미함

• 반면, 대기와 같은 기체는 큰 압력의 변화를 받거나 흐름의 속도가 커짐에 따라 압력이 커지면 밀도에 변화를 무시할 수 없게 됨

• 압축성 유체 : 다른 성질의 변화에 대하여 유체의 밀도 변화를 고려해야 하는 유체(기체)

• 비압춗성 유체 : 밀도의 변화가 아주 작아서 무시될 수 있는 유체(액체)

* 비압축성 유체에서는 일반적으로 밀도를 일정하다고 가정함

• 유체는 크게 액체와 기체로 분류하며, 물이나 기름과 같은 액체는 큰 압력을 받아도 밀도가 변화가 미미함

• 반면, 대기와 같은 기체는 큰 압력의 변화를 받거나 흐름의 속도가 커짐에 따라 압력이 커지면 밀도에 변화를 무시할 수 없게 됨

• 압축성 유체 : 다른 성질의 변화에 대하여 유체의 밀도 변화를 고려해야 하는 유체(기체)

• 비압춗성 유체 : 밀도의 변화가 아주 작아서 무시될 수 있는 유체(액체)

* 비압축성 유체에서는 일반적으로 밀도를 일정하다고 가정함

압축성과 비압축성

압축성과 비압축성

(33)

대기의 성질

• 외부에서 가하는 압력차에 의하여 유체의 입자가 관 안을 흐를 때 통로의 단면적이 변하면 입자의 속도와 입자가 받는 압력의 크기가 변함

- 정상 흐름(steady flow) : 유체에 가하는 압력을 시간이 경과해도 일정하게 유지하면 관 안의 주어진 한 점을 흐르는 공기의 밀도, 압력, 속도 등은 일정한 값을 유지하게 됨 / 정속 비행

- 비정상 흐름(unsteady flow) : 유체에 가하는 압력이 시간의 경과에 따라 계속 변하면 관 안의 주어진 한 점을 흐르는 공기의 밀도, 압력, 속도 등도 시간에 따라 계속 변하게 됨 / 가속 및 감속 비행

• 외부에서 가하는 압력차에 의하여 유체의 입자가 관 안을 흐를 때 통로의 단면적이 변하면 입자의 속도와 입자가 받는 압력의 크기가 변함

- 정상 흐름(steady flow) : 유체에 가하는 압력을 시간이 경과해도 일정하게 유지하면 관 안의 주어진 한 점을 흐르는 공기의 밀도, 압력, 속도 등은 일정한 값을 유지하게 됨 / 정속 비행

- 비정상 흐름(unsteady flow) : 유체에 가하는 압력이 시간의 경과에 따라 계속 변하면 관 안의 주어진 한 점을 흐르는 공기의 밀도, 압력, 속도 등도 시간에 따라 계속 변하게 됨 / 가속 및 감속 비행

정상 흐름과 비정상 흐름

정상 흐름과 비정상 흐름

(34)

대기의 성질

• 점성 : 형태가 변화할 때 나타나는 유체의 저항 또는 서로 붙어 있는 부분이 떨어지지 않으려는 성질

• 모든 유체는 점성을 가지고 있으며, 점성을 가진 유체가 흘러갈 때에 흐름에 저항하는 힘을 받게 됨

• 대기의 점성은 대단히 작기 때문에 흐름의 속도가 낮을 때에는 점성의 영향이 크게 나타나지 않음

• 비점성 흐름(inviscid flow) : 점성을 고려하지 않은 유체의 흐름(이상 흐름, ideal flow)

• 점성 흐름(viscid flow) : 점성의 영향을 고려하여 흐름을 해석하는 경우의 유체 흐름(실제 흐름, real flow)

• 점성 : 형태가 변화할 때 나타나는 유체의 저항 또는 서로 붙어 있는 부분이 떨어지지 않으려는 성질

• 모든 유체는 점성을 가지고 있으며, 점성을 가진 유체가 흘러갈 때에 흐름에 저항하는 힘을 받게 됨

• 대기의 점성은 대단히 작기 때문에 흐름의 속도가 낮을 때에는 점성의 영향이 크게 나타나지 않음

• 비점성 흐름(inviscid flow) : 점성을 고려하지 않은 유체의 흐름(이상 흐름, ideal flow)

• 점성 흐름(viscid flow) : 점성의 영향을 고려하여 흐름을 해석하는 경우의 유체 흐름(실제 흐름, real flow)

비점성 흐름과 점성 흐름

비점성 흐름과 점성 흐름

(35)

대기의 성질

• 유체의 흐름에서 단위시간당 유체 입자에 유입되는 양과 유출되는 양이 같은 조건을 만족시키는 방정식

• 질량보존의 법칙을 유체에 적용해 만든 방정식으로서 어떤 물리량이 보존되는 상태로 이송되는 것을 기술함

• 유체의 흐름에서 단위시간당 유체 입자에 유입되는 양과 유출되는 양이 같은 조건을 만족시키는 방정식

• 질량보존의 법칙을 유체에 적용해 만든 방정식으로서 어떤 물리량이 보존되는 상태로 이송되는 것을 기술함

연속 방정식

연속 방정식

• 질량유량 : 단위시간당 지나가는 유체의 질량

여기서,  : 밀도,  : 단면적,  ∶ 속도

• 질량유량 : 단위시간당 지나가는 유체의 질량

여기서,  : 밀도,  : 단면적,  ∶ 속도

• 단계 1의 질량 유량 = 

1

1

1

• 단계 2의 질량 유량 = 

2

2

2

1

1

1

= 

2

2

2

= 일정 (연속 방정식)

• 단계 1의 질량 유량 = 

1

1

1

• 단계 2의 질량 유량 = 

2

2

2

1

1

1

= 

2

2

2

= 일정 (연속 방정식)

• 속도가 작을 때는 압축성의 영향을 무시할 수 있어 밀도는 같은 값을 가짐

1

1

= 

2

2

= 일정

• 속도가 작을 때는 압축성의 영향을 무시할 수 있어 밀도는 같은 값을 가짐

1

1

= 

2

2

= 일정

(36)

대기의 성질

베르누이의 법칙(정리) 베르누이의 법칙(정리)

• 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 스위스, 1700~1782)

• 네덜란드 수학자 집안 태생으로 스위스로 이민

• 1738년 저서 <유체역학>에서 “베르누이의 정리"를 발표

* 이를 통해 유체역학을 식으로 정리하여 연구할 수 있는 토대를 마련

• 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 스위스, 1700~1782)

• 네덜란드 수학자 집안 태생으로 스위스로 이민

• 1738년 저서 <유체역학>에서 “베르누이의 정리"를 발표

* 이를 통해 유체역학을 식으로 정리하여 연구할 수 있는 토대를 마련

베르누이의 법칙(정리)

베르누이의 법칙(정리)

(37)

대기의 성질

벤츄리 효과 벤츄리 효과

• 조반니 바티스타 벤투리 (Giovanni Battista Venturi, 이, 1746 ~ 1822)

• 이탈리아 물리학자, 외교관, 과학사가

• 1797년 “벤츄리 효과” 논문 발표, 벤츄리 효과의 최초 발견자

• 베르누이 정리를 반영하여 압력 측정으로 유량을 결정하는 측정 장치로 사용

• 조반니 바티스타 벤투리 (Giovanni Battista Venturi, 이, 1746 ~ 1822)

• 이탈리아 물리학자, 외교관, 과학사가

• 1797년 “벤츄리 효과” 논문 발표, 벤츄리 효과의 최초 발견자

• 베르누이 정리를 반영하여 압력 측정으로 유량을 결정하는 측정 장치로 사용

(38)

대기의 성질

벤츄리 효과 벤츄리 효과

주유기

주유기 빌딩풍 효과 빌딩풍 효과

건축물 풍혈

건축물 풍혈

(39)

대기의 성질

• 유체가 규칙적으로 흐르는 것에 대한 속력, 압력에 관계에 대한 법칙

• 유체의 이동 속도의 증가는 유체의 압력을 감소시킨다는 것을 정리함

• 흐르는 유체에 대하여 유선(Streamline)상에서 모든 형태의 에너지(동압, 정압)의 합은 언제나 일정함

• 유체가 규칙적으로 흐르는 것에 대한 속력, 압력에 관계에 대한 법칙

• 유체의 이동 속도의 증가는 유체의 압력을 감소시킨다는 것을 정리함

• 흐르는 유체에 대하여 유선(Streamline)상에서 모든 형태의 에너지(동압, 정압)의 합은 언제나 일정함

베르누이의 법칙

베르누이의 법칙

P t

A B

P t

동압(q) 정압(P) C

(40)

대기의 성질

베르누이의 법칙 베르누이의 법칙

 

2

동압(q)

정압(P)

• 유체에서 발생된 힘은 유관의 단면의 단위 면적 당 작용하는 힘, 즉 압력을 변환됨

• 동압(q, dynamic pressure) : 유체의 운동에너지가 단면에 미치는 압력

• 정압(P, static pressure) : 유체에 가해지는 압력(대기압)

• 전압(Pt, Total pressure) : 유관 단면의 단위 면적에 미치는 전체 압력 / 정압(P) + 동압(q) = 일정

• 유체에서 발생된 힘은 유관의 단면의 단위 면적 당 작용하는 힘, 즉 압력을 변환됨

• 동압(q, dynamic pressure) : 유체의 운동에너지가 단면에 미치는 압력

• 정압(P, static pressure) : 유체에 가해지는 압력(대기압)

• 전압(Pt, Total pressure) : 유관 단면의 단위 면적에 미치는 전체 압력 / 정압(P) + 동압(q) = 일정

A(P t )

1

2 

2

동압(q) 정압(P)

B(P t )

(41)

대기의 성질

베르누이의 법칙 베르누이의 법칙

• 유체에서 발생된 힘은 유관의 단면의 단위 면적 당 작용하는 힘, 즉 압력을 변환됨

• 동압(q, dynamic pressure) : 유체의 운동에너지가 단면에 미치는 압력

• 정압(P, static pressure) : 유체에 가해지는 압력(대기압)

• 전압(Pt, Total pressure) : 유관 단면의 단위 면적에 미치는 전체 압력 / 정압(P) + 동압(q) = 일정

• 유체에서 발생된 힘은 유관의 단면의 단위 면적 당 작용하는 힘, 즉 압력을 변환됨

• 동압(q, dynamic pressure) : 유체의 운동에너지가 단면에 미치는 압력

• 정압(P, static pressure) : 유체에 가해지는 압력(대기압)

• 전압(Pt, Total pressure) : 유관 단면의 단위 면적에 미치는 전체 압력 / 정압(P) + 동압(q) = 일정

• 베르누이의 법칙(정리)

1 +

  1 2 =  2 +

  2 2 = 

• 베르누이의 법칙(정리)

1 +

  1 2 =  2 +

  2 2 = 

(42)

대기의 성질

점성(viscosity) 점성(viscosity)

• 형태가 변화할 때 나타나는 유체의 저항(마찰에 의한 전단응력) 또는 서로 붙어 있는 부분이 떨어지지 않으려는 성질

• 점성의 성질을 정량적으로 나타내기 위해 점성계수 를 사용, 점성으로 인한 저항이 얼마나 큰지 판단하는 기준이 됨

• 형태가 변화할 때 나타나는 유체의 저항(마찰에 의한 전단응력) 또는 서로 붙어 있는 부분이 떨어지지 않으려는 성질

• 점성의 성질을 정량적으로 나타내기 위해 점성계수 를 사용, 점성으로 인한 저항이 얼마나 큰지 판단하는 기준이 됨

약점성

약점성 중점성 중점성 강점성 강점성

(43)

대기의 성질

레이놀즈 수(Reynolds number) 레이놀즈 수(Reynolds number)

• 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로서, 주어진 유동 조건에서 두 힘의 상대적 관계를 정량적으로 나타내는 무차원 수

• 층류와 난류를 예측하는데 사용됨

- 층류(Re 2100 이하) : 점성력이 지배하는 유동으로서 레이놀즈 수가 낮고, 평탄하면서 일정한 유동이 특징 - 난류(RE 4000 이상) : 관성력이 지배하는 유동으로서 레이놀즈 수가 높고, 와류나 유동의 변동이 특징

* 천이류(transitional flow) : 층류에서 난류로 옮겨가는 부분

• 관성에 의한 힘과 점성에 의한 힘의 비로서, 주어진 유동 조건에서 두 힘의 상대적 관계를 정량적으로 나타내는 무차원 수

• 층류와 난류를 예측하는데 사용됨

- 층류(Re 2100 이하) : 점성력이 지배하는 유동으로서 레이놀즈 수가 낮고, 평탄하면서 일정한 유동이 특징 - 난류(RE 4000 이상) : 관성력이 지배하는 유동으로서 레이놀즈 수가 높고, 와류나 유동의 변동이 특징

* 천이류(transitional flow) : 층류에서 난류로 옮겨가는 부분

 = 

 = 관성력 점성력

: 유체의 속력

 : 유동 길이

층류(laminar flow)

난류(turbulent flow)

Turbulent flow(전기 스파크 사용)

(44)

과제 공지

참조

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