npsm 새물리 New Physics : Sae Mulli

pISSN 0374-4914 eISSN 2289-0041
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Article

Research Paper

New Phys.: Sae Mulli 2021; 71: 1058-1066

Published online December 31, 2021 https://doi.org/10.3938/NPSM.71.1058

Copyright © New Physics: Sae Mulli.

A Study of Cross-section of wind Speed Under Distance in a Simple wind Tunnel

Se-Hun Kim1, Yong-Jun Yang2*

1Faculty of Science Education, Jeju National University, Jeju 63243, Korea
2Hallim technical high school, Jeju 63028, Korea

Correspondence to:yyjgenius@naver.com

Received: September 7, 2021; Revised: October 23, 2021; Accepted: November 1, 2021

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

A simple wind tunnel composed of an air circulator and a flow straightner was fabricated. In order to investigate the wind speed characteristics of the manufactured wind tunnel, we measured and analyzed the cross-sectional wind speed with distance. In order to check the wind speed characteristics in each section we divided, the section into 16 regions. We visualized the collected data measured for each cross-section at a distance of 5 cm by using the Origin program. As a result of the analysis, we concluded that the simple wind tunnel device composed only of the air circulator and the flow straightner had relatively uniform wind speed characteristics that depended on the distance. The basic characteristics of the wind tunnel device used in the field of education are identified, and the possibilities of applications in field education are suggested.

Keywords: Wind tunnel device, Flow straightner, Homogeneity

에어서큘레이터와 정류격자만으로 구성된 교육용 간이 풍동의 거리에 따른 풍속 특성 알아보기 위하여 풍동의 수직 단면을 슬라이스 형식으로 나누어 거리에 따른 단면 풍속을 측정하고 분석하였다. 각 단면에서 풍속 특성을 확인하기 위해 단면을 16개의 영역으로 분할 하였으며, 분할된 영역의 중심에 풍속계(AS-386)를 위치시켜 16개 영역의 평균 풍속을 측정하였다. 5 cm 간격으로 12개의 단면에 대해 측정 수집된 데이터는 Origin 프로그램을 이용하여 시각화 되었다. 분석 결과 에어서큘레이터와 정류격자만으로 구성된 간이 풍동 장치도 거리에 따라 비교적 균일한 풍속 특성을 갖는다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 사용한 방법을 이용하여 교육 현장에서 사용하는 풍동 장치의 기본적인 특성을 파악하고, 현장 교육에서의 활용 가능성을 시사할 수 있다.

Keywords: 풍동, 정류격자, 균질도

풍동은 일정한 공기의 흐름을 만들어주는 장치로, 유체역학적인 현상을 실험실에서 효과적으로 구현하고 탐구하는데 필수적인 장치이다. 초중등학교에서도 비행기나 공기의 흐름과 관련된 주제에 관심을 갖는 학생들이 과학전람회와 같은 중등학교급의 자유탐구 연구에서 풍동 장치를 사용하고 있다 [1, 2]. 불규칙한 공기덩어리를 통과할 때 항공기체에 미치는 영향을 조사하기 위하여 바람을 생성시키는 소형풍동장치를 설계제작하여 공기역학적 비행특성에 관한 보고가 있다 [3]. 각 연구들을 살펴보면 풍동을 자체 제작하여 사용하고 있는데, 이는 대학 연구 및 기업에서 사용하는 풍동은 부피가 크고 가격이 비싸서 초중등 교육과정에서 기계를 구입하기에는 한계가 있기 때문인 것으로 여겨진다. 초중등학생들이 사용하는 풍동은 대학에서 사용하는 풍동의 모든 조건을 다 갖추기 보다는 목적에 맞고 실용적으로 제작하는 것이 효과적이다. 하지만 초중등학교에서 사용하기에 적합한 풍동을 어떻게 제작할 수 있는지에 대한 가이드나 연구는 부족한 실정이며, 특히 정밀한 실험이 아닌 단순한 현상의 구현이나 가능성을 탐색해 보기 위한 최소한의 풍동 요건이 어느 정도인지에 대한 참고자료가 매우 부족하다. 교육실험을 위한 풍동을 제작하기 위한 국내외의 연구가 있지만, 각 연구에서의 목표 달성을 위한 기본적인 성능을 갖추게끔 제작하다 보니, 해당 풍동에 쉽게 접근하기는 어려운 점이 있었다 [49]. 과학전람회에서 자체 제작했던 풍동들도 막상 제작하고자 하면 시간과 시행착오를 겪어야 하며, 제작한 이후에도 목적에 맞지 않는 경우가 있어 초중등학교에서 풍동을 제작하여 연구하기에는 부담스러운 것이 현실이다.

이에 본 연구에서는 정밀성은 다소 부족하더라도 기본적인 현상의 구현과 간단한 확인용으로 에어서큘레이터와 정류격자로만 이루어진 단순한 풍동이 어느 정도의 역할을 수행할 수 있는지를 제시하고자 한다. 이 풍동 구성은 과학 전람회 출품작 중 연구에 결과적으로 사용되지는 못했지만 중간 과정에 제시되었던 2차 간이 풍동의 구성을 바탕으로 제작하였다 [1]. 풍동의 풍속 특성은 풍동의 수직직 단면 균질도를 거리에 따라 슬라이스 형식으로 분석하여 기본적인 풍속 분포를 확인해 보았으며, 오픈형 풍동 전면부의 풍속 특성을 확인해 보고, 연무기를 통한 유동 가시화나 에 어포일을 띄워보는 기초적인 활동을 통해 간이 풍동의 활용 가능성을 파악해 보았다.

에어서큘레이터와 정류격자로만 구성된 단순한 풍동은 기존에 사용되었던 풍동들에 비해서 성능과 정밀도가 다소 떨어질 수 있지만, 정량적이지 않은 자연현상의 간단한 구현이나 목적에 맞는 풍동을 제작하기 전 예비실험 등에 보다 쉽게 사용될 수 있을 것이다. 또한 초중등학교급에서 보다 실용적이고 활용 가능한 풍동을 제작하기 위한 다양한 아이디어와 기초적인 참고자료가 되어 풍동에 대한 접근성을 높일 수 있을 것으로 기대한다.

1. 교육용 간이 풍동 제작

본 연구에서 분석할 풍동은 Fig. 1.과 같이 에어서큘레이터와 정류격자만으로 구성된 단순한 형태이다. 에어서큘레이터는 보네이도 633제품을 사용하였으며, 정류격자는 Fig. 2.의 규격에 맞게 3D 프린터로 출력하였으며, 4개를 출력하여 정사각형 형태로 결합하여 제작하였다. 전체 정류격자는 Fig. 3.에서와 같이 가로 268 mm, 세로 134 mm, 높이 268 mm이며, 격자 하나의 면적은 400 mm2, 이고 선의 두께는 2 mm 이다.

Figure 1. (Color online) A simple wind tunnel which consists of air circulator and a flow straightner [10].

Figure 2. Schematic dimension for flow straightner [10].

Figure 3. (Color online) A flow straightner made with 3D printer [10].

2. 풍동 장치 특성 분석 : 거리에 따른 수직 단면 풍속

평균 풍속 데이터를 얻기 위하여 정류격자의 단면을 Fig. 4.와 같이 16개의 영역으로 분할하였으며, 각 부분은 A11A44 와 같이 기호로 구분하였다.

Figure 4. (Color online) The flow straightner is divided into 16 regions for wind speed measurement [10].

각각 분할된 영역으로부터 거리에 따른 풍속 데이터 측정을 위해서 Fig. 5.와 같이 과학상자로 거치대를 제작하였 으며, 아이폰 수평계 어플로 거치대의 수평을 조정하였다. 풍속은 Fig. 6.의 AS-386풍속계를 이용하여 측정하였다.

Figure 5. (Color online) A cradle and a level using the iPhone app for wind speed measurement [10].

Figure 6. (Color online) anemometer AS-386 [10].

풍동을 설치할 때 정류격자와 에어서큘레이터 간의 위치가 변하지 않도록 Fig. 7.과 같이 클립을 부착함으로서 서큘레이터와 정류격자의 조립위치를 표시하였다.

Figure 7. (Color online) The clip marks the assembly position of the circulator and the flow straightner [10].

각 영역의 풍속을 측정할 때는 Fig. 8.과 같이 영역의 중심에 풍속계가 위치하도록 측정하였으며, 거치를 용이하게 하기 위해 Fig. 9.와 같이 거치대에 높이 1.5 mm 자석을 부착하여 높이를 조정하였다.

Figure 8. (Color online) The location of the anemometer [10].

Figure 9. (Color online) A device for adjusting the height of the anemometer [10].

A11A44 영역은 하단부여서 Fig. 10.과 같이 장치를 설치하였으며, 높이는 네오디움 자석을 28개까지 늘려 조정하였다. 풍동으로부터의 수직 거리는 Fig. 11.과 같이 30 cm자 2개를 거치대에 올려 5 cm 단위로 55 cm까지 측정하였다. 풍속계 두께를 고려하여 두께의 중앙 부분을 측정 기준으로 정하였으며, 30 cm 자의 여백에 해당하는 두께 5 mm도 고려하여 측정하였다. AS-836 풍속계 설정은 평균값 모드로 하여 측정하였으며, 소수점 2자리에서 반올림하여 그 이하 자리에서 변동되는 값은 무시하였다. 거리에 따른 풍속 측정 데이터는 표로 나타내었으며, 영역별 거리에 따른 단면 특성은 Origin 분석 프로그램을 사용하여 2차원 평면 시각화하여 나타내었다.

3. 간이 풍동을 이용한 유동 가시화 실험

간이 풍동의 기본적인 활용 가능성을 확인해 보기 위해 Fig. 12.의 연무기를 이용하여 Fig.13과 같이 유동가시화를 하고 풍동의 직진성을 확인해 보았다. 또한 풍동 앞에 에어 포일을 넣고 띄워보거나 에어 포일 주변의 유동을 관찰하여 보았다.

1. 간이 풍동의 거리에 따른 풍속 특성 분석

Table 1. 은 정류격자의 각 영역에서 수직 거리에 따른 풍속을 측정한 것이다. 거리에 따른 풍속데이터와 영역별 평균 풍속을 계산하여 나타내었으며, 단위는 m/s이다.

Table 1 . Average wind speed distribution by distance from each region. (unit is m/s) [10].

AreaA11A12A13A14A21A22A23A24A31A32A33A34A41A42A43A44
Distance (cm)
1.51.95.15.02.05.13.94.35.04.44.24.04.81.54.84.41.9
5.02.05.14.92.05.03.63.94.94.44.33.84.81.44.64.32.1
10.02.14.94.81.94.93.64.04.74.44.23.84.81.44.54.22.0
15.02.14.84.72.14.93.54.14.94.24.23.94.71.74.44.22.4
20.02.14.84.72.04.93.84.04.74.04.33.94.71.64.34.12.2
25.02.14.74.61.94.83.74.04.63.84.33.94.51.54.03.92.2
30.02.14.64.52.04.73.74.34.43.94.13.94.41.84.14.12.3
35.02.04.44.52.14.63.84.24.53.84.13.94.51.84.04.22.4
40.02.24.34.42.04.53.84.24.43.84.13.84.51.83.94.32.6
45.02.14.14.42.14.43.83.94.43.74.13.74.51.84.04.32.8
50.02.14.14.42.44.23.73.94.23.54.03.64.41.84.04.43.0
55.02.34.14.53.04.33.94.14.33.34.13.84.41.73.94.53.2
average (m/s)2.14.64.62.14.73.74.14.63.94.23.84.61.74.24.22.4
Standard deviation (m/s)0.10.40.20.30.30.10.10.30.40.10.10.20.20.30.20.4


Figure 14는 거리에 따른 풍속 전면부의 평균 풍속 분포를 Origin 프로그램으로 시각화하여 나타낸 것이다. 풍속 전면에서 5 cm 단위로 풍속을 시각화하였다. Fig. 14.를 보면 풍속의 단면의 풍속이 거리에 따라 어떻게 변화하는지를 시각적으로 확인할 수 있다. 거리가 멀어질수록 풍속이 작아지는 것을 확인할 수 있지만 영역별 풍속의 특성은 거의 유사하게 나타난다.

Figure 15는 각 영역의 거리에 따른 평균 풍속을 나타낸 것이다. 가장 자리인 A11, A14, A41, A44 영역의 풍속이 나머지 12개의 영역과 비교해 보면풍속이 약한 것을 알 수 있다. 이는 원형 모양의 서큘레이터가 정류격자를 다 채우지 못하였기 때문이다.

Table. 2는 거리에 따른 평균 풍속을 이용하여 풍동의 시험부 균질도를 계산한 것이다. 균질도 계산은 김권택 외 3명 (2007) 이 수행한 연구를 참고하여 계산하였다. 해당 연구에서는 특정한 단면의 영역을 25개로 분할하여 25개 영역의 평균 속력(υ¯)과 표준편차(ρ)의 퍼센트 비율(υ¯ρ)로 균질도를 계산하였다. 본 연구에서는 각 단면의 같은 영역의 거리에 따른 평균 속력과 평균 속력들의 표준편차를 이용하여 균질도를 계산하였다. 또한 제작한 풍동의 서큘레이터가 정류격자의 가장자리를 다 채우지 못하는 것을 고려하여 A11, A14, A41, A44 영역을 포함한 균질도와 제외한 균질도를 모두 계산하였다. 결과는 소수점 둘째 자리에서 반올림하여 첫째자리까지 나타내었다.

평균 풍속을 이용한 풍동의 균질도는 A11, A14, A41, A44 영역을 포함한 경우 28%이며, 이것을 제외한 영역에서는 7.9%로 측정되었다. 이는 Mehta(1979)가 제시한 풍동의 적정 균질도0.3%와 [11], 김권택 등(2007)이 제시한 학습용 풍동의 균질도 0.64% [12]와 비교해 보면 높은 수치이다. 하지만 앞의 두 연구에서 제시하는 풍동은 연구에서 제작한 풍동에 비해 제작에 소요되는 시간이 많으며 부피를 많이 차지하여 초중등학교에서 쉽게 사용하고 접근하기에 어려운 측면이 있다.

2. 간이 풍동을 이용한 유동 가시화

Figure 16, Fig. 17.은 정류 격자가 있는 경우의 유동을 각각 풍동 측면과 정면에서 관찰한 것이며, Fig. 18, Fig. 19.는 정류격자가 없는 경우 서큘레이터 바람의 유동을 풍동 측면에서 관찰한 것이다.

정류격자의 유무에 따라 직진성에 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 정류 격자가 없는 경우 난류 형성으로 인하여 바람이 회전하면서 진행하기 때문에 유동이 불안정해지므로, 풍동 구성시 층류 생성을 위하여 최소한 정류격자는 배치하는 것이 바람직하다.

Figure 20, Fig. 21.은 우드락으로 제작한 에어 포일 주변의 유동을 관찰한 것이다. 정밀한 유동의 모양 관찰은 어렵지만 대략적인 유동의 모양은 확인할 수 있다. Figure 20의 경우에는 에어포일이 대각선 위로 올라가기 바로 직전의 모습인데, 베르누이의 원리에 따른 상승이라기 보다는 작용-반작용에 의해 상승한다고 보는 것이 타당하다. Figure 20., Fig. 21.에서 보는 것과 같이 에어서큘레이터와 정류격자로만 구성된 간단한 풍동의 경우에도 교육현장에 사용하기 위해 기본적인 자연 현상을 구현 하는 것 정도는 가능하다.

본 연구에서는 교육 현장에서 보다 접근하기 쉬운 최소한의 풍동을 제시하고자 에어서큘레이터와 정류격자만으로 구성된 간이 풍동 장치의 특성을 확인해 보았다. 먼저 전면부 수직 거리에 따른 풍속 특성을 분석하였는데, 가장자리 영역인 A11, A14, A41, A44 을 제외하였을 때 풍동의 평균 풍속은 4.3 m/s, 표준 편차는 0.34, 단면의 평균 균질도는 7.9%였다. 이는 정밀한 풍동에서 요구되는 정밀도에는 미치지 못하는 수치이다. 하지만, 에어 서큘레이터의 바람을 직진하게끔 정류하고 연무기를 통해 대략적인 유동을 확인할 수 있으며, 간단한 양력실험을 할 수 있는 등 교육 현장에서 필요로하는 최소한의 역할을 수행할 수 있을 정도의 성능을 보여주었다. 교육 현장에서 사용하는 풍동은 정밀한 실험 결과를 얻기 보다는 학생들의 이해도와 경험 제공을 하는데 더 중요한 역할을 할 수도 있기 때문에, Mehta(1979) [11]의 연구에서 제시하는 균질도를 반드시 만족해야려고 노력하기 보다는 목적에 맞게 제작하는 것이 더 중요할 수 있다. 이러한 관점에서 성능은 다소 부족하더라고 단순하고 기본적인 풍동에 대한 특성을 파악해 보는 것은 의미가 있다.

또한 풍동의 풍속 특성을 분석한 기존의 연구에서는 시험부의 한 단면의 균질도나 풍속을 파악하는데에 그치고 있어서 풍동 비교적 넓은 거리에 따른 풍속 변화나 특성의 변화는 파악하기가 어렵다. 하지만 본 연구에서는 단면을 16개의 영역으로 나누고 각 영역의 거리에 따른 풍속의 특성을 측정한 후 이를 Origin 프로그램으로 시각화하였다. 마치 슬라이스 단면을 입체적으로 분석한 것과 같은 효과로 풍동의 특성을 시각적 입체적으로 확인할 수 있었다. 이 방식을 이용한다면 교육 현장에서 활용하기에 적합한 풍동의 풍속 특성과 성능 확인하는데 도움이 될 것이다.

2015 개정교육과정에서는 물리학 I,II 에서 유체역학 부분을 다루지는 않는다. 하지만 힘의 평형과 안정성 부분에 서 비행기의 안정성을 비행기의 무게중심, 주날개와 꼬리날개의 양력과 연관지어 설명하는 교과서가 있다 [13]. 교사가 교실 수업에서 힘의 평형 개념을 비행기의 안정성에 관한 ‘간이 풍동과 모형 비행기’사례를 도입하여 수업을 진행 할 수 있다. 이때, 학생들에게 힘의 평형과 안정성 개념을 보다 다양한 상황에서 적용함으로서 학습의 이해력을 증진시킬 수 있다. 또한 과학영재교육, 현장교육 비교과 활동프로그램의 자유탐구를 중심으로 진행되는 여러 교육 행사에서 풍동을 사용하는 경우가 많다 [1,2]. 이럴 경우, 간이 풍동을 활용하면 실험 연구에 적합한 풍동의 설계 · 제작하는데 도움이 될 것이다.

이 논문은 2020년도 정부 (교육부) 의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업입니다 (No. 2020R1I1A3A04038112 & 2019R1A6A1A10072987).

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