[유체역학] 항력계수(Drag Coefficient)

 

#유체역학

 

 

 

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0. Introduction

물체가 유체 내부에서 움직일 때, 또는 물체 주위를 유체가 지나갈 때 물체의 운동방향과 반대로 작용하는 항력(Drag)이 발생합니다.

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항력은 단순히 물체를 반대 방향으로 미는 것으로 인해 발생하기도 하지만 표면과 유체 입자 사이의 마찰로 인해 항력이 발생합니다.

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운송수단의 경우 항력이 연료를 더 많이 소비하게 만드는 주된 이유가 되기 때문에 형상을 조정하거나 표면처리를 하는 등 항력을 줄이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있습니다.

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1. Drag Coefficient

 

항력계수(Drag Coefficient)는 다음과 같이 정의됩니다.

우변의 분자에 위치한 D는 Drag, 분모에 위치한 U는 유체의 속력, A는 유동방향으로 투영한 물체의 단면적입니다.

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이 항력계수는 물체의 형상과 레이놀즈 수를 비롯한 여러 무차원 수, 표면 거칠기 등의 함수로 나타낼 수 있습니다.

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보통 실험 및 시뮬레이션을 통해 측정되며 Exact한 관계식으로 표현하는 것은 불가능에 가깝습니다.

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같은 질량과 부피를 가진 두 물체도 형상과 표면 거칠기가 다르면 항력계수도 달라집니다.

Fundamentals of Fluid Mechanics(2009), Munson B.R.

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위와 같은 타원형 형상에 대한 항력계수를 실험을 통해 얻은 데이터입니다.

이는 형상과 레이놀즈 수를 고정하고 항력계수를 오직 특성길이(l/D)만의 함수로 가정한 결과입니다.

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다양한 형상에 대한 레이놀즈 수 기반으로 항력계수를 측정할 수도 있습니다.

Fundamentals of Fluid Mechanics(2009), Munson B.R.

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또한 항력계수를 알고 있으면 특정 속도로 유체가 흐를 때 물체에 작용하는 항력을 계산할 수 있습니다.

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